Luận văn Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------------
ĐẶNG QUỐC HƯNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ TRONG
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG
TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Đà Nẵng - Năm 2017
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------------
ĐẶNG QUỐC HƯNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ TRONG
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG
TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH
Đà Nẵng - Năm 2017
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả luận văn
ĐẶNG QUỐC HƯNG
ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN
VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA BẰNG QUANG
PHỔ HỒNG NGOẠI
Học viên: Đặng Quốc Hưng
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216 Khóa: K33.TĐH(PFIEV) Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Mục tiêu của nghiên cứu này là nhằm trình bày các giải pháp cải tiến từ thiết kế cơ
khí đến kỹ thuật điều khiển góp phần nâng cao khả năng định vị của hệ thống quan trắc môi
trường từ xa (VISRAM) bằng quang phổ kế biến đổi Fourier hồng ngoại (FTIRS). Thiết kế
ban đầu của hệ thống quan trắc này sử dụng cơ cấu quay quét bằng tay quay tồn tại những hạn
chế trong việc định vị chính xác quang phổ kế hướng đến đối tượng trong vùng giám sát. Giải
pháp đề xuất là thay hai tay quay định hướng Pan-Tilt bằng các động cơ bước và bộ truyền
động. Hệ thống được định vị một cách tự động thông qua việc điều khiển động cơ bước. Kỹ
thuật điều khiển vòng kín cho động cơ bước được trình bày nhằm khắc phục các nhược điểm
gây ra do điều khiển vòng hở bằng phương pháp kích xung. Mô hình toán học phi tuyến của
động cơ bước lai hai pha được thiết lập. Một phương pháp biến đổi mô hình được đề xuất kết
hợp phép biến đổi Park với kỹ thuật tuyến tính hóa chính xác cho phép chuyển đổi vấn đề
điều khiển một hệ thống phi tuyến đa đầu vào - đa đầu ra thành vấn đề điều khiển tuyến tính
đơn giản. Các kết quả mô phỏng được thực hiện trong Simulink/Matlab cho phép chứng minh
tính ưu việc của bộ điều khiển PID mờ đề xuất so với bộ điều khiển PID thông thường trong
việc định vị chính xác hệ thống quan trắc hướng đến đối tượng giám sát.
Từ khóa - bộ điều khiển PID mờ; động cơ bước lai hai pha; phép biến đổi Park; kỹ thuật
tuyến tính hóa chính xác; hệ thống quan trắc môi trường từ xa.
STUDY APPLICATION OF A FUZZY-PID CONTROLLER FOR POSITION
CONTROL OF REMOTE ATMOSPHERIC MONITORING SYSTEM USING
INFRARED SPECTROSCOPY
Abstract - The objective of this research is to present improved solutions from mechanical
design to control engineering that contribute to enhance the positioning capacity of Vietnam’s
Remote Atmospheric Monitoring System (VISRAM) using Fourier Transform Infrared
Spectrometer (FTIRS). The initial design of this system using pan-tilt manual mechanism has
many limitations in accurately positioning the spectrometer towards a targeting subject in the
monitoring area. The proposed solution is to replace the two pan-tilt arms with two-phase
hybrid stepper motors and transmission mechanism. The spectrometer is automatically
positioned via stepper motors control. The closed-loop control is designed to overcome the
disadvantages caused by the open-loop control using pulse generation techniques. The
iii
nonlinear mathematical model of a two-phase hybrid stepper motor is established. A proposed
model transform method incoporating the Park transform with a precise linearization
technique allows converting the control problem of a multi-input multi-output nonlinear
system into a linear control problem. Simulation results realized in Simulink/Matlab
demonstrated the superiority of the proposed fuzzy PID controller with respect to a
conventional PID controller in accurately positioning the spectrometer towards a targeting
subject in the monitoring area.
Key words - fuzzy PID controller; two-phase hybrid stepper motor; Park transform; precise
linearization technique; remote atmospheric monitoring system.
iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ..........................................................................................ii
MỤC LỤC……...................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.....................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................viii
MỞ ĐẦU………..................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.......................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .................................................................. 2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU......................................... 2
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................... 2
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI........................ 2
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN............................................................. 3
CHƯƠNG 1 - QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ
HỒNG NGOẠI................................................................................. 4
MỞ ĐẦU CHƯƠNG ..........................................................................................4
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ
XA............................................................................................................4
1.2. NGHIÊN CỨU VỀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA..................5
1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới....................................................................5
1.2.2. Nghiên cứu của Viện VIELINA........................................................8
1.3. VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC
MÔI TRƯỜNG TỪ XA.........................................................................11
KẾT LUẬN CHƯƠNG ....................................................................................13
CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ CƠ CẤU QUAY QUÉT.....................................................14
MỞ ĐẦU CHƯƠNG ........................................................................................14
2.1. NHU CẦU ĐẶT RA VÀ GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT................................14
2.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC..................................................16
2.2.1. Giới thiệu .........................................................................................16
2.2.2. Cấu tạo.............................................................................................16
2.2.3. Nguyên lý làm việc..........................................................................18
2.2.4. Điều khiển các động cơ bước thông dụng .......................................19
2.3. THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ ...............................................21
2.3.1. Thiết kế tổng thể phần cứng ............................................................21
2.3.2. Lựa chọn thiết bị..............................................................................22
2.3.3. Thiết kế mạch điều khiển.................................................................25
v
2.4. GÁ LẮP, KẾT NỐI THIẾT BỊ..............................................................31
2.4.1. Cài đặt và ghép nối ..........................................................................31
2.4.2. Lắp ráp tổng thể...............................................................................32
2.5. XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN............................................33
2.5.1. Tính toán góc bước..........................................................................33
2.5.2. Lưu đồ thuật toán.............................................................................34
2.5.3. Phần mềm điều khiển ......................................................................35
2.6. MỘT VÀI NHẬN XÉT KHI QUAN SÁT THỰC NGHIỆM...............36
KẾT LUẬN CHƯƠNG ....................................................................................37
CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN CHO ĐỘNG CƠ
BƯỚC....................................................................................................38
MỞ ĐẦU CHƯƠNG ........................................................................................38
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................................38
3.2. MÔ HÌNH HÓA HỆ ĐIỀU KHIỂN......................................................39
3.2.1. Mô hình toán học.............................................................................39
3.2.2. Phương pháp biến đổi mô hình........................................................42
3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ..................................................45
3.3.1. Bộ điều khiển PID thông thường.....................................................46
3.3.2. Bộ điều khiển PID mờ .....................................................................48
3.4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN........................................50
3.5. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG SIMULINK/MATLAB VÀ
ĐÁNH GIÁ............................................................................................50
3.5.1. Tham số vật lý mô phỏng ................................................................50
3.5.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng hở..........................................50
3.5.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng kín.........................................53
KẾT LUẬN CHƯƠNG ....................................................................................61
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................... 63
KẾT LUẬN.......................................................................................................63
HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................................64
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................. 66
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)............................................ 68
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
f
Tần số của dòng điện và điện áp (Hz)
CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
FTIRS
Fourier transform infrared spectrometer (Quang phổ kế biến đổi
Fourier hồng ngoại)
GPS
PID
Global Positioning System (Hệ thống định vị toàn cầu)
Propotional Integral Derivative (Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ)
VISRAM Vietnam System for Remote Atmospheric Monitoring (Hệ thống
quan trắc môi trường không khí từ xa của Việt Nam)
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
Tên bảng
Trang
22
Thông số kỹ thuật của động cơ bước VEXTA C014S-
9212K
2.1
2.2
Thông số kỹ thuật của bộ truyền động Rino Ondrives
PF30-30ANM
23
2.3
2.4
2.5
2.6
3.1
3.2
Thông số kỹ thuật của driver M660024
Cài đặt cường độ dòng điện
24
25
25
31
55
60
Cài đặt vi bước cho driver
Nối dây Driver M6600
Định nghĩa quy luật mờ bộ điều khiển PID mờ
So sánh các chỉ tiêu thiết kế
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ, Tên hình vẽ, đồ thị
đồ thị
Trang
1.1
Kết cấu bên ngoài của hệ thống thiết bị mẫu
6
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Kết cấu bên trong của hệ thống thiết bị mẫu
Giao thoa kế kiểu Michelson
6
7
Lắp đặt HI 90 tại một khu công nghiệp
Sản phẩm hệ thống quang phổ kế VISRAM
Sơ đồ cấu trúc hệ thống
7
8
10
10
Hệ thống quang bắt ảnh dựa trên nguyên lý giao thoa
Michelson
1.8
Định vị thủ công bằng cơ cấu quay quét tay quay 4-53220-
6 của VISRAM
12
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Cơ cấu quay quét của hệ thống VISRAM
Sơ đồ khối của module điều khiển cơ cấu quay quét
Hình dạng động cơ bước
15
15
16
16
17
17
Bên trong động cơ bước
Cấu tạo của động cơ bước
Một xung tương ứng với một bước của rotor (1 xung – 1
bước)
2.7
Tương quan giữa quá trình điện và quá trình cơ của động
cơ bước
18
2.8
2.9
Minh họa xung điện áp cấp cho cuộn dây stator
Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Rotor 2 cực và
các lực điện từ khi điều khiển bằng xung 1 cực
Sơ đồ dây các loại động cơ bước của hãng Oriental
Sơ đồ hệ truyền động động cơ bước
Mô thiết kế phần cứng cơ cấu quay quét
Động cơ bước VEXTA C014S-9212K
Bộ truyền động Rino Ondrives PF30-30ANM
Driver M6600
18
18
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
20
21
22
22
23
24
26
26
26
Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cung cấp của mạch điều khiển
Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp của mạch điều khiển
Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển của mạch điều khiển
ix
2.19
Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm của mạch điều
khiển
27
2.20
2.21
2.22
2.23
2.24
2.25
2.26
2.27
2.28
2.29
Mạch điều khiển lớp TOP
28
28
29
31
32
32
33
34
35
36
Mạch điều khiển lớp BOT
Các module con của firmware điều khiển con lắc
Sơ đồ nối dây
Gá lắp hộp điện của hệ thống quay quét
Gá lắp cơ cấu quay quét vào hệ thống VISRAM
Mô tả trường quan sát (FOV) và góc lấy mẫu (IFOV)
Lưu đồ thuật toán tổng thể
Giao diện module phần mềm điều khiển cơ cấu quay quét
Ứng dụng cơ cấu quay quét cải tiến vào hệ thống
VISRAM
3.1
3.2
Mạch điện tương đương của động cơ bước lai hai pha
Mô hóa đối tượng điều khiển trong hệ quy chiếu (a, b)
Mô hóa đối tượng điều khiển trong hệ quy chiếu (d, q)
Mô bù phi tuyến
39
41
43
44
45
46
47
48
50
51
51
52
53
54
54
54
55
56
3.3
3.4
3.5
Cấu trúc điều khiển cho hệ thống cơ nghiên cứu
Điều khiển với bộ điều khiển PID
3.6
3.7
Cấu trúc của bộ điều khiển PID thông thường
Cấu trúc của bộ điều khiển PID mờ
3.8
3.9
Cấu trúc điều khiển cho hệ thống điện nghiên cứu
Mô hệ thống điều khiển vòng hở trong Simulink/Matlab
Đáp ứng vòng hở của hệ thống không tải
Đáp ứng vòng hở của hệ thống khi có tải ngoài
Đáp ứng vòng hở khi được kích xung ở tần số f = 4 Hz
Cấu trúc của bộ điều khiển PID thông thường
Sơ đồ mô phỏng cho hệ thống cơ nghiên cứu
Đáp ứng bước của bộ điều khiển PID thông thường
Cấu trúc của bộ điều khiển PID mờ trong Simulink/Matlab
Mối quan hệ giải mờ của tín hiệu đầu ra đối với các đầu
vào
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
Sơ đồ mô phỏng cho hệ thống điện nghiên cứu
Cấu trúc của bộ điều khiển PI
56
57
57
58
58
Đáp ứng bước của bộ điều khiển dòng điện PI
Mô của toàn bộ hệ thống điều khiển
Cấu trúc bên trong của hệ thống điều khiển trong
Simulink/Matlab
x
3.24
3.25
Cấu trúc của vòng lặp điều khiển dòng điện
Đáp ứng vị trí của hệ thống đối với góc quay mong muốn
30 độ
59
59
3.26
Đáp ứng của bộ điều khiển PID mờ đối với các hằng số
moment quán tính khác nhau của tải ngoài
60
1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Để đánh giá ô nhiễm không khí có thể dùng các loại sensor (đốt xúc tác, điện
hóa, bán dẫn…), các phương pháp này có giá thành rẻ, tuy nhiên chỉ đo trực tiếp trên
mẫu, không có khả năng đo xa. Do vậy, gần đây các nhà khoa học đã và đang phát
triển các hệ thống đo xa bằng phương pháp phân tích phổ hồng ngoại với quang phổ
kế biến đổi Fourier hồng ngoại FTIRS (Fourier Transform Infrared Spectrometer) có
thể được sử dụng trong điều kiện ngoài trời, cho phép phát hiện và xác định các thành
phần khí độc hại trong các đám mây khí ô nhiễm. Kết quả nghiên cứu đã được ứng
dụng tại các nước phát triển như Đức, Nhật Bản với các sản phẩm đã được thương mại
hóa, tuy nhiên các sản phẩm này có giá thành khá cao. Trong khi đó, ở Việt Nam, Viện
VIELINA cũng đã đi tiên phong nghiên cứu trong lĩnh vực này và tiến hành tạo ra
dòng sản phẩm tương tự nhưng với giá thành thấp hơn.
Dựa vào camera giám sát người vận hành sẽ điều khiển cơ cấu quay quét hướng
thiết bị (hướng góc quan sát của ống telescope) đến nguồn phát khí thải phát ra từ các
ống khói nhà máy, các đường ống dẫn khí gas…. Khi đã lựa chọn khí mục tiêu cần
giám sát, hệ thống sẽ tiến hành phép đo, vị trí phát hiện cùng với kết quả giám sát của
khí thải sẽ được hiển thị lên trên ảnh hiện trường. Tuy nhiên thiết kế ban đầu của các
hệ thống quan trắc môi trường từ xa này sử dụng cơ cấu quay quét được điều khiển
bằng tay quay 4-53220-6 đặt trên chân đế Tripod của hãng Quickset. Vì điều chỉnh thủ
công bằng tay quay nên rất khó dừng lại ở vị trí mong muốn bởi chỉ cần một tác động
nhẹ vẫn có thể tạo ra một sai lệch khá lớn, trong khi các thiết bị quan trắc này lại đòi
hỏi sự chính xác cao độ. Thêm vào đó với cùng một số lượng điểm cố định được đề ra
trong vùng giám sát thì thời gian thao tác bằng tay quay của mỗi lần quét hết cả vùng
giám sát sẽ là khác nhau, làm cho hệ thống không đạt yêu cầu tính ổn định về mặt thời
gian thao tác.
Nhu cầu thực tiễn được đặt ra cho các hệ thống quan trắc môi trường này, đó là
cần phải cải tiến cơ cấu quay quét để điều khiển thiết bị chính xác đến các vị trí mong
muốn, đồng thời cải thiện được thời gian thao tác khi quét hết cả vùng giám sát. Giải
pháp được đề xuất là thay các tay quay bằng các động cơ bước và bộ truyền động,
đồng thời nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển cơ cấu quay quét
sử dụng động cơ bước này. Trong công nghiệp hiện nay có đến 90% các bộ điều
khiển trong thực tế là dựa trên luật điều khiển PID nhờ sự đơn giản và thông dụng của
bộ điều khiển này. Tuy nhiên để bộ điều khiển PID phát huy tốt hiệu quả thì việc xác
định và hiệu chỉnh các tham số của nó là rất quan trọng, trong khi điều này vẫn còn
thụ động đối với các hệ có các tham số biến thiên theo thời gian. Vì vậy việc nghiên
cứu ứng dụng lý thuyết mờ để xác định và hiệu chỉnh tham số của bộ điều khiển PID
2
cho động cơ bước nhằm phù hợp với các trạng thái làm việc là cần thiết và hiện nay
đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Xuất phát từ lý do đó mà tác giả đã chọn
đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PID mờ trong điều khiển vị trí hệ thống
quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại” làm đề tài nghiên cứu và
thực hiện.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu thiết kế cơ cấu điều khiển thiết bị hai bậc tự do (cả góc phương vị và
góc ngẩng) nhằm hướng chính xác hệ thống VISRAM đến các vị trí quan trắc khí thải
đề ra với các yêu cầu:
- Cơ cấu quay được điều khiển bằng phần mềm.
- Thời gian đáp ứng phải đủ nhanh để thực hiện quét hết cả vùng giám sát.
- Bước dịch chuyển quay quét phải đạt độ chính xác cao.
Nghiên cứu phương pháp điều khiển vòng kín cho động cơ bước và ứng dụng bộ
điều khiển PID mờ vào điều khiển định vị chính xác hệ thống quan trắc.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: cơ cấu quay quét hai bậc tự do cho hệ thống VISRAM
bằng động cơ bước.
Phạm vi nghiên cứu:
- Việc điều hướng thiết bị chỉ giới hạn ở hai bậc tự do (góc ngẩng và góc phương
vị), mỗi bậc tự do được điều khiển một cách độc lập.
- Nghiên cứu quay quét hệ thống quang phổ kế hồng ngoại trên chân đế Tripod với
cơ cấu quay bằng tay 4-53220-6 của hãng Quickset.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Khảo sát và thu thập thông tin từ thực tế.
- Phân tích và tổng hợp thông tin.
- Phân tích và thiết kế hệ thống.
- Phân tích và thi công phần cứng.
- Phân tích và xây dựng phần mềm.
- Mô phỏng kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
- Kiểm thử, hiệu chỉnh và hoàn thiện hệ thống.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý NGHĨA KHOA HỌC:
- Mô hình hóa hệ điều khiển sử dụng động cơ bước, nêu ra và làm rõ các nhược
điểm khi điều khiển động cơ bước ở vòng hở.
- Đề xuất kỹ thuật chuyển đổi vấn đề điều khiển mô hình phi tuyến của động cơ
bước trong hệ quy chiếu pha thành vấn đề điều khiển tuyến tính trong hệ quy
chiếu dòng điện.
- Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho động cơ bước và thể hiện sự ưu
3
điểm hơn so với bộ điều khiển PID thông thường.
- Ý NGHĨA THỰC TIỄN:
- Vấn đề điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa đòi hỏi độ chính xác
cao và thời gian đáp ứng đủ nhanh, luận văn nhằm góp phần nâng cao độ chính
xác định vị và rút ngắn thời gian đáp ứng, đồng thời giảm nhân lực vận hành thiết
bị.
- Cải tiến cơ cấu quay quét 4-53220-6, thay thế các tay quay bằng các động cơ
bước và bộ truyền động, tích hợp vào hệ thống quan trắc mẫu VISRAM giúp hệ
thống đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu trong vấn đề điều khiển vị trí.
Sản phẩm của đề tài có khả năng được thương mại hóa với hãng Quickset.
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn được chia làm 3 chương:
- Chương 1- Quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại:
Giới thiệu các hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ kế biến đổi
Fourier hồng ngoại. Đặt ra bài toán về việc điều khiển vị trí quan trắc cho các hệ
thống này.
- Chương 2 - Thiết kế cơ cấu quay quét
Trình bày việc cải tiến lại cơ cấu quay quét tay quay 4-53220-6 của hệ thống
VISRAM bằng cách thay 2 tay quay định hướng PAN-TILT bằng các động cơ
bước và bộ truyền động. Đưa ra một số nhận xét khi quan sát thực nghiệm.
- Chương 3 - Thiết kế bộ điều khiển vòng kín cho động cơ bước
Tiến hành mô hình hóa hệ điều khiển và mô phỏng hệ thống điều khiển vòng hở
cho động cơ bước. Bộ điều khiển PID mờ cho động cơ bước cũng đã được tiến
hành nghiên cứu, thiết kế và so sánh với bộ điều khiển PID thông thường.
Phần cuối cùng là kết luận và hướng phát triển của đề tài.
4
CHƯƠNG 1 -
QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ
HỒNG NGOẠI
MỞ ĐẦU CHƯƠNG
Chương 1 trình bày tổng quan về việc đánh giá ô nhiễm không khí từ xa và giới
thiệu các hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ kế biến đổi Fourier
hồng ngoại cả trong và ngoài nước. Đồng thời đặt ra bài toán về việc điều khiển vị trí
quan trắc cho các hệ thống này.
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ XA
Bước vào thế kỷ XXI, vấn đề bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu toàn
cầu đã và đang là chủ đề nóng được quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây. Sự
phát triển kinh tế xã hội nói chung, đặc biệt là phát triển công nghiệp sẽ dẫn đến gia
tăng nhanh chóng các loại khí độc hại thải ra môi trường. Các loại khí độc hại thường
xuyên được thải ra từ các nhà máy trong các khu công nghiệp, từ các phương tiện giao
thông như máy bay, tàu thủy, xe cộ, từ các khu khai thác chế biến dầu khí, khai
khoáng... Để đánh giá ô nhiễm không khí có thể dùng các loại sensor (đốt xúc tác, điện
hóa, bán dẫn…), các phương pháp này có giá thành rẻ, tuy nhiên chỉ đo trực tiếp trên
mẫu, không có khả năng đo xa. Phương pháp đo xa sử dụng quang phổ kế biến đổi
Fourier hồng ngoại FTIRS (Fourier Transform Infrared Spectrometer) cho phép phát
hiện và xác định các đám mây ô nhiễm trong bầu khí quyển và kết quả nghiên cứu đã
được ứng dụng tại các nước phát triển như Đức, Nhật Bản với các sản phẩm đã được
thương mại hóa.
Kỹ thuật đo xa với phép biến đổi Fourier hồng ngoại FTIR (Fourier Transform
Infrared) được sử dụng ngày càng nhiều để phát hiện và xác định các chất khí ô nhiễm
trong môi trường. So với các phương pháp phát hiện tại các điểm lấy mẫu truyền
thống, phương pháp phát hiện từ xa bằng FTIRS[8] có nhiều ưu điểm:
- Phổ quát để phát hiện các phân tử đa nguyên tử.
- Phân tích nhanh các hỗn hợp nhiều thành phần.
- Giám sát thời gian thực lượng khí thải ở một khoảng cách nhất định.
- Diện tích lấy mẫu lớn, không cần chuẩn bị mẫu và xử lý.
- Cảm biến không bị bẩn trong quá trình đo.
- Hoạt động đơn giản và ít phải bảo trì.
Do vậy, các hệ thống đo xa bằng hồng ngoại sử dụng trong điều kiện ngoài trời
(kỹ thuật đo đường dẫn mở) để phát hiện các chất gây ô nhiễm không khí đã và đang
được các nhà khoa học phát triển trong thời gian gần đây. Kỹ thuật đo đường dẫn mở
có thể được chia thành hai loại: thụ động và tích cực. Các kỹ thuật đo đường dẫn mở
tích cực (sử dụng nguồn phát hồng ngoại) là khá giống với các cấu hình cổ điển của
5
một phòng thí nghiệm quang phổ FTIR và thường được sử dụng cho nghiên cứu ô
nhiễm môi trường không khí, trong khi đó kỹ thuật đo xa thụ động FTIR ít được biết
đến trong cộng đồng các nhà khoa học phân tích. Do độ nhạy cao và tính di động của
các quang phổ kế FTIRS hiện đại, số lượng các ứng dụng giám sát vùng và điều khiển
quá trình ngày càng tăng.
1.2. NGHIÊN CỨU VỀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA
1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới
Tình hình nghiên cứu
Hiện nay, tại các nước phát triển ở châu Âu (điển hình là Đức) đã nghiên cứu,
chế tạo các hệ thống giám sát, đánh giá phát hiện từ xa các nguồn khí thải độc hại
được phát ra từ các nhà máy hóa chất, các đường ống dẫn khí gas, các khu vực có
nguy cơ ô nhiễm cao và đã đưa vào ứng dụng từ nhiều năm nay. Một dự án tại CHLB
Đức với sự tài trợ của quỹ nghiên cứu, giáo dục liên bang (German Federal Ministry of
Education and Research) phối hợp với hãng Bruker Optics, văn phòng liên bang về
phòng chống thiên tai (Federal Office of Civil Protection and Disaster Assistance) và
cơ quan phòng cháy chữa cháy Hamburg đã nghiên cứu và triển khai dự án nghiên
cứu, thiết kế hệ thống phát hiện, đánh giá từ xa các loại khí thải độc hại để trang bị cho
thanh tra môi trường, cảnh sát phóng cháy chữa cháy, lực lượng phản ứng nhanh tại
các thành phố lớn như Berlin, Hamburg, Magdeburg và Mannheim từ năm 2006. Các
mẫu thiết bị SIGIS, SIGIS 2 (Scanning Infrared Gas Imaging System), HYGAS
(Hyperspectral imaging remote sensing systems for identification and visualisation of
hazardous clouds) đã và đang đưa vào ứng dụng tại Đức từ nhiều năm nay. Các thành
phần khí thải mà hệ thống có thể phát hiện và đánh giá được: các loại khí phát ra từ
các nhà máy hóa chất Ethanol, NH3, SF6, SO2; gas rò rỉ từ các đường ống dẫn gas; các
thành phần khí xả CO, CO2, NOx từ các động cơ như máy bay từ các cảng hàng không,
bến xe, bến tàu; đám mây khói từ các đám cháy, núi lửa...
Cấu trúc hệ thống quan trắc từ xa
Hệ thống quan trắc từ xa có kết cấu được biểu diễn như ở Hình 1.1 và Hình 1.2,
bao gồm phần chính là máy đo phổ chuyển đổi Fourier ảnh hồng ngoại FTIRS sử dụng
giao thoa kế kiểu Michelson (Michelson Interferometer) của hãng Bruker optics
(model OPAG 22), thiết bị quét gồm gương được điều khiển quay để quét vùng cần
giám sát (xem Hình 1.3). Camera hồng ngoại hay loại video camera thường được dùng
để chụp ảnh nền trợ giúp cho việc định vị. Hệ thống điều khiển và thu thập DSP, phần
phân tích, nhận dạng và đánh giá các đám mây khí thải độc hại bao gồm 2 card DSP và
phần mềm chạy trên nền Windows và phân tích ảnh trong thời gian thực. Hệ thống gửi
kết quả về trung tâm giám sát môi trường, phòng cháy chữa cháy hay lực lượng phản
ứng nhanh. Trang bị của hệ thống trên các phương tiện lưu động hoặc cố định tại một
vị trí cần giám sát.
6
model SIGIS 2
model compact based on Bruker RAPID
Hình 1.1. Kết cấu bên ngoài thiết bị mẫu của hệ thống quan trắc từ xa
Hình 1.2. Kết cấu bên trong của thiết bị mẫu SIGIS 2
7
Hình 1.3. Giao thoa kế kiểu Michelson
Các sản phẩm thương mại
Đa số các hệ thống thương mại đều có giá rất cao, như SIGIS 2 giá xấp xỉ
300.000 USD, trong đó riêng máy đo phổ chuyển đổi Fourier ảnh hồng ngoại FTIRS
sử dụng giao thoa kế kiểu Michelson của hãng Bruker optics (model OPAG 22) đã có
giá 70.000 USD. Theo khảo sát, phần giao thoa kế chiếm giá thành cao nhất trong toàn
bộ hệ thống, giá thấp nhất cũng đến 90.000 USD (ví dụ loại của hãng zygo). SIGIS 2
hiện nay được đưa vào ứng dụng ở Đức, Đan Mạch, Áo, Ý, Tiệp Khắc.
Ngoài SIGIS, SIGIS 2, năm 2011, hãng Bruker còn có dòng sản phẩm hiện đại
cao cấp như HI 90 (Hyperspectral Imaging System HI 90) cho phép nhận dạng đánh
giá các đám mây khí thải độc hại từ khoảng cách vài km với độc nhạy rất cao và tốc độ
xử lý rất nhanh (xem Hình 1.4).
Hiện nay trên thị trường còn có một số sản phẩm khác như: Cerberus (Infrared
remote sensing system for monitoring of emissions of volcanoes), HYGAS
(Hyperspectral Sensor for Analysis of Gases in the Atmosphere), GASCAM (Gas
Camera).
Hình 1.4. Lắp đặt HI 90 tại một khu công nghiệp
8
1.2.2. Nghiên cứu của Viện VIELINA
Tình hình nghiên cứu
Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa (VIELINA) tiền thân là Viện
nghiên cứu Kỹ thuật Điện tử trực thuộc Tổng cục Điện tử và Kỹ thuật tin học (cơ quan
thuộc Hội đồng Bộ trưởng) được thành lập ngày 29 tháng 01 năm 1985 theo Nghị định
số 20/HĐBT của Hội đồng Bộ trưởng (nay là Chính phủ). Viện là cơ quan nghiên cứu,
triển khai khoa học và công nghệ đầu ngành trong lĩnh vực điện tử, tin học, tự động
hóa trực thuộc Bộ Công Thương.
Với triển vọng đóng góp vào việc thực hiện các mục tiêu phát triển ngành công
nghiệp môi trường theo đề án “Phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam
đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, nhóm nghiên cứu của Viện VIELINA – Bộ
Công Thương đã tiến hành đề xuất và thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ
thống phát hiện và giám sát các loại khí độc hại thải ra môi trường bằng phương pháp
phân tích phổ hồng ngoại”[2] nhằm tạo ra hệ thống giám sát môi trường sử dụng
quang phổ kế biến đổi Fourier hồng ngoại FTIRS đặt tên là VISRAM (Vietnam System
for Remote Atmospheric Monitoring - Hệ thống quan trắc môi trường không khí từ xa
của Việt Nam). Hệ thống VISRAM có thể phát hiện và đánh giá được các loại khí:
Ethanol, NH3, SOx, khí đốt, CO, CO2, NOx có phổ hấp thụ nằm trong vùng hồng ngoại
giữa với số sóng nằm trong khoảng 3500 cm-1 đến 680 cm-1 tương ứng với các bước
sóng từ 2,9 µm đến 14 µm, phạm vi giám sát là 500m.
Hình 1.5. Thiết bị mẫu VISRAM
Tải về để xem bản đầy đủ
80 trang
28/03/2022
9980
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_ung_dung_bo_dieu_khien_pid_mo_trong_dieu.pdf
