ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU Chuyên ngành :
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG
QUẤN BĂNG VẬT LIỆU
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2012
Trang 2Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên
Cán bộ HDKH : TS Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 1 :PGS TS Bùi Quốc Khánh
Phản biện 2 : TS Đỗ Trung Hải
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 2, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Vào 13 giờ 30 phút ngày 25 tháng 01 năm 2013
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên
và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
2
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết của Điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển cho đối tượng phi tuyến và áp dụng cho
hệ truyền động quấn băng vật liệu
2 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay các bộ điều khiển trong thực tế chủ yếu sử dụng bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID với các tham số được lựa chọn phù hợp nói chung đáp ứng được các yêu cầu của đối tượng điều khiển là tuyến tính Tuy nhiên các hệ thống cần được điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến, có chứa các tham số không biết trước hoặc chứa các phần tử phi tuyến không thể hoặc rất khó
mô hình hóa trong việc xây dựng hệ thống phương trình vi phân mô tả hệ Các tham số không biết trước có thể là hằng số hoặc biến thiên theo thời gian - Có thể
là biến thiên chậm hoặc nhanh theo thời gian Ngoài ra trong quá trình làm việc
hệ cũng bị nhiễu tác động từ môi trường
Điều khiển các hệ phi tuyến nói trên các bộ điều khiển PID thông thường nói chung không đáp ứng được
Khi cần thiết kế các bộ điều khiển có khả năng điều khiển các hệ phi tuyến và chịu ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường, thường được sử dụng lý thuyết điều khiển hiện đại như : điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững (ĐKBV)
và điều khiển thích nghi (ĐKTN)
Hệ điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc và tham
số của bộ điều khiển có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất lượng ra của hệ đảm bảo các chỉ tiêu đó định ĐKTN là kỹ thuật tự chỉnh theo thời gian thực các bộ điều chỉnh nhằm duy trì đặc tính của đối tượng điều khiển nằm trong phạm vi mong muốn trong khi thông số của đối tượng (Đã biết hoặc chưa biết) biến thiên theo thời gian
3
Trang 4Vì những lý do trên việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ĐKTN vào điều khiển các hệ thực là cần thiết và cần được tập trung nghiên cứu
Hệ truyền động quấn băng vật liệu được sử dụng nhiều trong thực tế và là
hệ có tính phi tuyến mạnh Để đáp ứng yêu cầu điều khiển có thể sử dụng bộ điều khiển thích nghi Vì vậy tôi chọn hướng nghiên cứu là :
“Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi ứng dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu”
3 Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn bao gồm những phần sau :
Chương 1 : Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết điều khiển thích nghi
Nội dung của phần này là tìm hiểu những vấn đề chung về ĐKTN
Chương 2 : Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu.
Nội dung của phần này là đi sâu vào phương pháp Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, làm cơ sở để tổng hợp bộ điều khiển cho bài toán ứng dụng ở Chương 3
Chương 3 : Tổng hợp hệ MRAC cho hệ truyền động quấn băng vật liệu
Từ các nghiên cứu lý thuyết tiến hành tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng cụ thể là hệ truyền động quấn băng vật liệu dùng động cơ một chiều
Chương 4 Kiểm nghiệm, đánh giá chất lượng
Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lượng bộ điều khiển bằng mô phỏng nhờ phần mềm MATLAB - SIMULINK
Từ các kết quả thực nghiệm nhận được ta tiến hành đánh giá nội dung của
phương pháp và rút ra kết luận chung về đề tài
Tôi xin chân thành cảm ơn TS NGUYỄN VĂN VỴ đã tận tình hướng
dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành nội dung luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Điện – trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, Phòng quản lý đào tạo sau
4
Trang 5đại học - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên ngay 01 thang 01 năm 2013 Người thực hiện
Nguyễn Thị Bích Thủy
5
Trang 6CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
1.1 - Lịch sử phát triển của hệ diều khiển thích nghi
1.2 Đặc điểm chung của hệ điều khiển thích nghi
1.3 - Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC):
1.3.1 Phương pháp MRAC trực tiếp :
1.3.2 Phương pháp MRAC gián tiếp
1.4 Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC:
1.5 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi:
1.6 Hệ thống điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính:
1.7 Kết luận chương 1:
Phương pháp điều khiển thích nghi với các ưu điểm quan trọng của nó được
sử dụng phù hợp trong các hệ thống điều khiển tự động lớn, thông số và cấu trúc của hệ biến thiên liên tục, yêu cầu chất lượng cao
Trong thời gian gần đây các phương pháp điều khiển thích nghi phát triển
và hoàn thiện với tốc độ nhanh đặc biệt các hệ thống điều khiển thích nghi theo
mô hình mẫu và các hệ tự chỉnh đã đạt được nhiều kết quả Từ các luật điều khiển hiện đại cho ra nhiều bộ điều khiển theo chương trình cho các cho các hệ thống truyền động điện Để minh chứng cho điều đó tôi nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC
6
Trang 7Chương II
HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU
2.1 Đặc điểm của hệ MRAC
2.2 Sơ đồ cấu trúc MRAC
2.3 Phương pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov
2.4 Tổng hợp luật thích nghi trên cơ sở về lí thuyết ổn định tuyệt đối và
nguyên lí dương của hệ thống động
2.5 Kết luận chương II
Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu là một phương pháp quan trọng trong điều khiển thích nghi Đây là phương pháp được áp dụng nhiều trong thực tế
Đây là cách thuận tiện để đưa ra các thông số kĩ thuật cho các vấn đề về truyền động điện có điều khiển thích nghi Các tham số thay đổi dựa vào sự phản hồi cơ bản từ sai số giữa đầu ra của hệ thống và đầu ra của mô hình điều khiển Trong chương này tôi đã phân tích, nghiên cứu hệ ĐKTN theo mô hình mẫu, hệ ĐKTN trực tiếp theo mô hình mẫu, hệ ĐKTN gián tiếp theo mô hình mẫu, phương pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov, tổng hợp luật thích nghi trên
cơ sở lí thuyết ổn định tuyệt đối Các bước nghiên cứu cụ thể từ cấu trúc chung của hệ và nguyên lí làm việc, các phương pháp tổng hợp luật ĐKTN Từ đó làm
cơ sở tổng hợp MRAC cho hệ truyền động điện một chiều
7
Trang 8CHƯƠNG III TỔNG HỢP MRAC CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU
3.1 HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU
3.1.1 Quá trình hoạt động của hệ tháo – quấn dây
3.1.2 Kết cấu cơ khí của bộ phận quấn dây
3.1.3 Yêu cầu công nghệ của cơ cấu quấn dây
3.1.4 Thiết kế bộ điều khiển
3.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN.
3.3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện
3.3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
3.4 Tổng hợp sơ đồ cấu trúc của hệ
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển thích nghi điều khiển cơ cấu quấn dây được trình bày trên hình 3.12
8
I
+ _
A m
+
+
+
+ +
++ ++
+ + +
U m
U p 1 U p 2
2
1
-K r
1 Jv ar
1 K r
1 p K
1 p
1 p
1 K r
C u
d 1
d 2
1 p
l 2
l 2
m 2
m 1
Trang 93.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG III
Hệ truyền động quấn băng vật liệu là hệ có tính phi tuyến mạnh và trong quá trình làm việc cũng chịu tác động của nhiễu Do đặc điểm công nghệ tốc độ động
cơ phải thay đổi theo quy luật nhất định Vì vậy điều khiển hệ quấn dây vật liệu các hệ điều khiển truyền thống nói chung không đáp ứng được Để giải quyết được yêu cầu công nghệ cần sử dụng các hệ truyền động hiện đại Điều khiển thích nghi là hệ thay đổi được tham số và cấu trúc phù hợp với sự biến thiên tham
số của đối tượng, vì vậy có thể ứng dụng vào điều khiển hệ này
Đối tượng điều khiển ở đây có cấu trúc và tham số biết trước vì vậy ứng dụng hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu vào diều kiển cơ cấu này là hợp
lý, đáp ứng được yêu cầu công nghệ
9
Trang 10CHƯƠNG IV KIỂM NGHIỆM CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4.1 MỤC ĐÍCH, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG KIỂM NGHIỆM
4.2 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN
4.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG MATLAB-SIMULINK
Với các thông số của bộ điều khiển đã tìm đựơc và sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển bằng phần mềm MALTLAB 6.5, sơ đồ mô phỏng MATLAB -SIMULINK của hệ điều khiển trên hình H4.1
H4.1: Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ thống.
10
Mô hình động cơ khi có thích nghi
Mô hình động cơ không thích nghi
Bộ điều khiển thích nghi
Mô hình mẫu
Ud
Mc
Pulse
Generato
r
Scope 2
Scope 4
Scope 1
Scope 3
Omega mau Omega 1
Omega 1
Omega mau
Omega 1
Up2
Up2
Omega 1
Ed Omega p
U c M cd U
2
Ed Omega p
U c M d U
2
2
Signal
5 1 2 1
Signal
mau Omega Omega Up Signal
d E
m E Omega
mau
Omega d U
p
U 2
m E
mau
Omega d
U
Trang 114.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.
Trên cơ sở đó tiến hành khảo sát các đặc tính của hệ khi các các thông số của hệ thay đổi (Momen quán tính J biến thiên và momen cản Mc thay đổi) Các kết quả mô phỏng trên hình H4.6 H4.14
Hình 4.6: Đặc tính ra của hệ khi đường kính cuộn dây và M c thay đổi
Khi tín hiệu đặt thay đổi theo yêu cầu công nghệ và mô men cản Mc là biến thiên nhưng đặc tính ra của hệ Yp vẫn bám theo đặc tính mong muốn Ym
Hình 4.7: Đặc tính ra của hệ khi lượng đặt và phụ tải thay đổi
Khi tín hiệu đặt thay đổi và mô men cản Mc là biến thiên nhưng đặc tính ra của hệ Yp vẫn bám theo đặc tính mong muốn Ym
H 4.8: Đặc tính ra của hệ khi J và M c thay đổi.
Như vậy đặc tính ra ít bị ảnh hưởng khi momen quán tính thay đổi và nhiễu tác dụng, nghĩa là hệ thích nghi với thay đổi tham số
11
Trang 12H4.9: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi dạng xung tam giác.
Trong trường hợp này nhiễu thay đổi dạng xung tam giác nhảy cấp, chúng ta nhận thấy khi Mc thay đổi nhảy cấp thì đặc tính Yc khi chưa có thích nghi thay đổi theo, nhưng đặc tính ra của hệ Yp vẫn bám theo đặc tính mong muốn Ym
H4.10: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp.
Khi nhiễu Mc thay đổi nhảy cấp, đặc tính ra của hệ ĐKTN Yp vẫn bám theo đặc tính Yp và rất ít chịu ảnh hưởng của nhiễu tác động
H4.11: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên
Khi nhiễu Mc thay đổi nhảy cấp, đặc tính ra của hệ ĐKTN Yp vẫn bám theo đặc tính Yp và rất ít chịu ảnh hưởng của nhiễu tác động
12
Trang 13H4.12: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên.
Khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên, chúng ta nhận thấy tại thời điểm mà Mc thay đổi thì đáp ứng tốc độ của đặc tính khi không có thích nghi Yc thay đổi theo Nhưng đặc tính ra của hệ Yp vẫn bám theo đặc tính mong muốn Ym
H4.13: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng hình sin có chu kì.
Khi nhiễu thay đổi là dạng sin ngẫu nhiên, chúng ta nhận thấy tại thời điểm mà
Mc thay đổi từ Min Max thì đáp ứng tốc độ của đặc tính khi không có thích nghi Yc thay đổi từ Max Min Nhưng đặc tính ra của hệ Yp vẫn bám theo đặc tính mong muốn Ym
H4.14: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên
Khi nhiễu Mc thay đổi ngẫu nhiên, đặc tính ra của hệ ĐKTN Yp vẫn bám theo đặc tính Ym và rất ít chịu ảnh hưởng của nhiễu tác động
13
Trang 144.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.
Bằng cách sử dụng luật thích nghi thay cho luật điều khiển thông thường ta
đã tổng hợp được bộ điều khiển thích nghi áp dụng cho hệ truyền động điện một chiều quấn băng vật liệu là hệ đang được sử dụng trong thực tế đòi hỏi chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ cao
Qua kết quả kiểm tra bằng mô phỏng hệ thống ta đưa ra được kết luận sau :
hệ truyền động là hệ phi tuyến và trong thực tế hệ làm việc luôn bị nhiễu tác động từ môi trường nhưng với bộ điều khiển thích nghi thì chất lượng ra của hệ luôn bám theo đặc tính mong muốn :
+ Chất lượng động của hệ tốt hơn hệ truyền động thông thường: thời gian quá độ nhỏ, lượng quá điều chỉnh nhỏ, ít dao động
+ Khi lượng đặt không đổi thì sai lệch giữa các đặc tính của hệ là nhỏ
Chất lượng động và chất lượng tĩnh không phụ thuộc vào mô men cản nghĩa
là hệ bền vững đối với nhiễu
Với kết quả kiểm nghiệm trên cho phép ta xây dựng được hệ truyền động thoả mãn các yêu cầu đặt trước cho các đối tượng đòi hỏi chất lượng điều chỉnh cao
KẾT LUẬN CHUNG.
Trong quá trình nghiên cứu, tôi thu được một số kết quả sau:
Sau một thời gian tìm tòi học hỏi, tôi đã hoàn thành được bản luận văn theo
đề cương đã được phê duyệt
Đã nghiên cứu cấu trúc và các dạng cơ bản của hệ thống ĐKTN
Đã tổng hợp được hệ ĐKTN theo mô hình mẫu trực tiếp cho động cơ điện một chiều
Đã tổng hợp được hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
14
Trang 15Qua kết quả khảo sát với đối tượng cụ thể, có thể kết luận:
- Hệ ĐKTN đã cải thiện và nâng cao tính ổn định của hệ thống được điều khiển đúng như đã nêu trong phần lí thuyết
- Hệ ĐKTN có khả năng chống biến thiên tham số, đáp ứng yêu cầu của các quá trình công nghệ trong thực tế
TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT
15
Trang 161 Vũ Gia Hạnh, Phan Tử Thụ (1992): Máy điện - NXB Khoa học và kĩ thuật
Hà Nội
2 Nguyễn Công Hiền (2005): Mô hình hoá và mô phỏng - Giáo trình dành
cho cao học
3 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2002): Truyền động điện - NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội.
4 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi
(2002): Điều chỉnh tự động truyền động điện - NXB Khoa học và kĩ thuật
Hà Nội
5 Võ Quang Lạp, Trần Thọ (2004 - bản dịch): Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện - NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội.
6 Nguyễn Thương Ngô (1999): Lí thuyết điều khiển tự động hiện đại - NXB
Khoa học và kĩ thuật Hà Nội
7 Nguyễn Thương Ngô (2001): Lí thuyết điều khiển tự động - NXB Khoa
học và kĩ thuật Hà Nội
8 Nguyễn Phước Doãn, Phan Xuân Minh (2000): Hệ phi tuyến - NXB Khoa
học và kĩ thuật Hà Nội
9 Nguyễn Phước Doãn (2005): Lí thuyết điều khiển nâng cao - NXB Khoa
học và kĩ thuật Hà Nội
10.Nguyễn Phùng Quang (2004): MATLAB Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động - NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội.
TIẾNG ANH
11.Astrom, K.J and Wittenmark (1990): Computer Contrlled Systems: Theory anh design - Prentice-Hall ISBN 0-13-172784-2.
12.Astrom, K.J and Wittenmark (1995): Adaptive Control - Addison Wesley
Publising Companny
13.Charles L.Phillips and Royce D.Hardor (1996): Feedback Control Systems
- Prưntice-Hall International, Inc
14.Kurz, H.Insermann, R.Sechumann (1997): Experimental Comparition of various parameter adaptive algoritms - Automatica 13.
16
