tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP điều KHIỂN HIỆN đại NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG hệ điều KHIỂN vị TRÍ

Tùy theo từng đối tượng mà áp dụng các luật điều khiển khác nhau, tuy nhiên các bộđiều khiển này đều có ưu điểm của bộ điều khiển mờ cănbản, nhưng chúng được tập hợp đơn giản, dễ hiểu, l

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹthuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.

Vào giờ phút ngày tháng năm 2010

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tạiĐại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuậtCông nghiệp Thái Nguyên

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới,công nghiệp hoá hiện đại hoá cùng với sự phát triển của côngnghệ thông tin, ngành kỹ thuật điện tử là sự phát triển của kỹthuật điều khiển và tự động hoá Hệ thống nào có chuyểnđộng cơ học ( dây chuyền sản xuất, người máy…) thì hệthống đó động cơ điện làm khâu trung gian để chuyển hoáđiện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết Việcđiều khiển chính xác dòng cơ năng tạo nên các chuyển độngphức tạp của dây chuyền công nghệ là nhiệm vụ của hệthống truyền động động cơ Một trong những vấn đề quantrọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độcủa động cơ truyền động Việc thiết kế bộ điều khiển theophương pháp kinh điển phụ thuộc vào mô hình toán học của

hệ, việc mô tả hệ thống càng chính xác thì kết quả điều khiểncàng có chất lượng cao Tuy nhiên việc xây dựng mô hìnhtoá học của hệ thống rất khó khi không biết trước sự thay đổicủa tải, thay đổi của thông số, nhiễu hệ thống…

Trong những năm gần đây một ngành khoa họcmới đã được hình thành và phát triển mạnh mẽ đó là điềukhiển logic mờ Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển

là hoàn toàn dựa vào sự chính xác tuyệt đối của thông tin màtrong nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có

được, điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “ không

rõ ràng hay không đầy đủ” những thông tin mà sự chính xác

của nó chỉ nhận thấy được giữa các quan hệ của chúng vớinhau và cũng chỉ có thể mô tả được bằng ngôn ngữ, đã cho ranhững quyết định chính xác Chính khả năng này đã làm chođiều khiển mờ chụp được phương thức xử lý thông tin vàđiều khiển của con người, đã giải quyết thành công các bàitoán phức tạp

Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp em đã đi vàonghiên cứu thuật toán điều khiển mờ và ứng dụng điều khiển

mờ trượt điều khiển tốc độ động cơ Tùy theo từng đối tượng

mà áp dụng các luật điều khiển khác nhau, tuy nhiên các bộđiều khiển này đều có ưu điểm của bộ điều khiển mờ cănbản, nhưng chúng được tập hợp đơn giản, dễ hiểu, làm việc

ổn định, có đặc tính động học tốt ngay cả khi thông tin củađối tượng không đầy đủ hoặc không chính xác Một số cònkhông chịu ảnh hưởng của nhiễu cũng như sự thay đổi theothời gian của đối tượng điều khiển

Kết cấu của luận văn gồm:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển chuyển động Chương 2: Xây dựng thuật toán tổng hợp mờ trượt cho hệ chuyển động đối với đối tượng phi tuyến

Chương 3: Ưng dụng điều khiển mờ trượt để nâng cao chất lượng điều khiển vị trí sử dụng động cơ điện một chiều

Kết luận

Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đến nay bảnluận văn của em đã hoàn thành với kết quả tốt Thành côngnày phải kể đến sự giúp đỡ tận tình của các thày cô giáotrường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Đặc biệt

là Thầy TS Võ Quang Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn

em, đã hết lòng ủng hộ và cung cấp cho em những kiến thứchết sức quý báu Em xin dành cho thầy lời cảm ơn sâu sắc

Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế cóhạn nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Emrất mong nhận được các ý kiến chỉ bảo của các thày cô giáo

và của bạn bè đồng nghiệp để bản luận văn của em đượchoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 8 năm 2011 Học viên

Vũ Hưng

CHƯƠNG ITỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN

CHUYỂN ĐỘNG1.1 SƠ LƯỢC VỀ SỰ PHÁT TRIỂN HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG (ĐKCĐ)

1.2 CẤU TRÚC , PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM HỆ ĐKCĐ 1.2.1 Cấu trúc hệ điều khiển chuyển động

1.2.2 Phân loại hệ ĐKCĐ

1.2.3 Đặc điểm của hệ điều khiển chuyển động

1.3 CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ ĐKCĐ

1.3.1 Đặt vấn đề

1.3.2 Hệ truyền dộng điện

1.3.3 Các thiết bị đo lường

1.3.4 Các bộ điều khiển

1.3.5 Các phương pháp điều khiển

1.3.5.1 Phân tích sai số điều khiển

1.3.5.2 Sai số do các lượng nhiễu loạn khác

1.3.5.3 Chọn thuật điều khiển

1.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG.

1.4.1.Phương pháp điều khiển mờ

1.4.1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

1.4.1.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh:

1.4.1.3 Bộ diều khiển mờ động

1.4.2 Hệ điều khiển mờ lai F - PID

1.4.3 Hệ điều khiển mờ trượt

1.4.3.1 Nguyên lý điều khiển trượt

Nhận xét: Qua nghiên cứu ta nhận thấy rằng bộ điều

khiển mờ có tính phi tuyến mạnh, khả năng chống nhiễucao, nó rất phù hợp với hệ có tính phi tuyến, phụ thuộc thờigian, nó có tham số dải và thời gian trễ lớn Việc thànhcông khi thiết kế bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vàokinh nghiệm vận hành hệ thống và kiến thức chuyên gia màchưa có phương pháp chuẩn hoá để thiết kế bộ điều khiển

mờ

Nội dung về điều khiển trượt và mờ sẽ làm cơ sở đểtổng hợp bộ điều khiển mờ trượt ở phần tiếp theo ở luậnvăn

CHƯƠNG II

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỔNG HỢP MỜ TRƯỢT CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐỐI TƯỢNG PHI

TUYẾN.

Đặt vấn đề:

Trong chương I ta đã đề cập đến bộ điều khiển mờ vàtrượt, ta thấy mỗi loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng,nếu kết hợp chúng lại ta sẽ nâng cao được chất lượng điềukhiển Vì vậy trong chương này ta đi xây dựng thuật toántổng hợp bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển đối với đốitượng phi tuyến bậc 2

2.1 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ

2.1.1 Phương pháp điều khiển trượt.

2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững 2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bền vững

2.1.4.Thiết kế luật điều khiển trượt

2.1.5 Cơ sở hệ điều khiển trượt mờ từ điều khiển trượt kinh điển.

2.1.6 Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt.

Bước 1: Chọn mặt trượt S

Chọn hàm thuộc với các tập mờ ( nên chọn trong khoảng từ 3đến 10 tập mờ)

Bước 2: Thiết kế luật điều khiển cho hệ thống rơi vào mặt

trượt S = 0 và duy trì ở chế độ này mãi mãi

Chọn hàm trượt S(e)= e’+1e.

Trong đó  được chọn sao cho nghiệm của đa thức đặc trưng

p+1 = 0 đều nằm bên trái mặt phẳng phức

Mặt trượt S cho bởi phương trình S(e) = 0, luật điềukhiển u được chọn sao cho Ssign(S) < 0

Do trong luật điều khiển có hàm sign nên gây ra hiện tượngdao động, để khắc phục nhược điểm này ta thêm khâu xử lý

mờ trong bộ điều khiển để thay thế cho hàm si

Bước 3: Xây dựngbộ mờ

Các bước xây dựng bộ mờ:

1 Mờ hoá mặt trượt S

2 Xây dựng hệ quy tắc mờ:

3 Giải mờ: Bằng phương pháp giải mờ trọng tâm.

Bước 4: Thiết kế mô phỏng bằng Matlab

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Hệ thống truyền động động cơ một chiều là hệ thống

tự động điều chỉnh điện áp với ba mạch vòng phản hồi đó làphản hồi dòng điện, phản hồi tốc độ, phản hồi vị trí Kết quảcủa vấn đề thiết kế hệ thống là độ ổn định và đảm bảo các chỉ

tiêu về chất lượng động như: độ quá điều chỉnh, tốc độ, thờigian điều chỉnh, số lần dao động.

3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển

3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện

3.1.2 Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor

3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc

3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc

3.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện

3.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R

3.1.5.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI

3.1.5.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R

3.1.5.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí

3.1.5.3.1 Sơ đồ cấu trúc của trúc hệ thống điều chỉnh vị trí

3.1.5.3.2 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí

3.2 Mô phỏng hệ thống truyền động với các bộ điều khiển PID

3.2.1.Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ một chiều kích từ độc lập

* Các thông số cho trước:

Pđm : Công suất định mức của động cơ

L : Chiều dài quãng đường cần di chuyển

0030.π2

60

n.π2

35.0.162110

ω

.RIU

K

dm

u dm dm



Hằng số thời gian phần ứng:

0,03640,162

0,0059R

Lu

6,1728.p

T1

1/R(p)

W

u

u D

11.p

T1

KW

cl

cl BBD









i cl

u u i

pT

11.T.K2.K

TR(p)

RTrong đó:

s.105,51ms2,5ms2ms

TTT

dk v i

Ki: Hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện

0,28635

10I

UK

.5,5.10 2.11.0,286

64 0,162.0,03 (p)

c i

.T.K(p)

0,0159 314

5

Ta có: Tω  1 ms

12ms 2.5,5

1 2.T T

021 , 0 4

085 , 0 4

2





GD J

0,0336s0,318

20,021.0,16kφ

J.R

608 51 59.2.0,012 0,162.0,01

2.0,0336 0,286.0,33

.2.T K R

.T K K (p) R

sω ω u

c

Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí R theo tiêu chuẩn

tối ưu modul:

p)2.T(1.2.T.KK

K(p)

T T r

m 0 10 l

l 

32 0, π 2

100 r

π 2

l

 2 π n 100 π(rad) r

l

Td

U T.K 

Hệ số khuếch đại của cảm biến vị trí:

0,0318 100.π

100.π ω

T



0,024.p)(1

0,3.0,0318.2

1

0,0159p)

2.T(1.2.T.KK

K(p)

Thay các thông số đã tính được vào cấu trúc điều khiển

và dung simulink ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều chỉnh vị

trí như hình 3.16

Chạy chương trình mô phỏng với giá tri đặt của vị trí khácnhau ta có kết quả như các đồ thị được vẽ dưới đây:

Hình3.16:Sơ đồ cấu trúc mô tả hệ điều khiển vị trí

bằng bộ điều khiển PID

Hình3.17: Mô phỏng PID 10s

Hình 3.18: Mô phỏng PID 15s

3.3.Xây dựng bộ điều khiển trượt mờ cho mạch vòng vị trí.

Bước 1: Chọn mặt trượt S: S(e)= e’+1e

Bước 2: Thiết kế luật điều khiển cho hệ thống rơi vào mặt

trượt S = 0 và duy trì ở chế độ này mãi mãi

Trong đó  được chọn sao cho nghiệm của đa thức đặctrưng p+1 = 0 đều nằm bên trái mặt phẳng phức

Mặt trượt S cho bởi phương trình S(e) = 0, luật điềukhiển u được chọn sao cho Ssign(S) < 0

Do trong luật điều khiển có hàm sign nên gây ra hiện tượngdao động, để khắc phục nhược điểm này ta thêm khâu xử lý

mờ trong bộ điều khiển để thay thế cho hàm sign

Bước 3: Xây dựngbộ mờ

Các bước xây dựng bộ mờ:

1 Mờ hoá mặt trượt S: chọn

Hình 3.19: Hàm thuộc với 5 tập mờ

2 Xây dựng hệ quy tắc mờ:

Hình 3.20: Luật hợp thành

Giải mờ: Bằng phương pháp giải mờ trọng tâm

Hình 3.21: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

Bước 4: Thiết kế mô phỏng bằng Matlab

3.4 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển trượt mờ

Hình 3.23: Mô phỏng trượt mờ 10s

Hình 3.23: Mô phỏng trượt mờ 15s

KẾT LUẬN

Đề tài sử dụng phương pháp điều khiển hiện đạinâng cao chất lượng hệ điều khiển vị trí, cụ thể là áp dụngphương pháp điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí sửdụng động cơ điện một chiều xuất phát từ thực tiễn củangành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá Đề tài nghiên cứu

đã kết hợp điều khiển mờ và điều khiển trượt để đưa ra một

bộ điều khiển vị trí mới phát huy được những ưu điểm của

bộ điều khiển trượt và kết hợp với bộ điều khiển mờ để khắcphục nhược điểm của bộ điều khiển trượt là hiện tượng trượt(sliding) hay còn gọi là rung (chattering)

Điều khiển trượt mờ giúp cho thời gian quá độ của

hệ thống nhanh lên từ 30% - 60% đạt độ chính xác cao, ngay

cả với giá trị đặt rất nhỏ.Khi vị trí đặt lớn hơn định mứcngoài việc giảm thời gian quá độ, bộ điều khiển trượt mờ còngiảm độ qúa điều chỉnh đặc biệt trong quá trình hãm Các kếtquả nghiên cứu được tóm tắt như sau:

- Tổng quan về hệ thống điều khiển chuyển động

- Các vấn đề nghiên cứu nâng cao chất lượng điềukhiển của hệ điều khiển chuyển động

- Một số phương pháp nâng cao chất lượng chuyểnđộng.

- Thiết kế bộ điều khiển trượt bền vững

- Xây dựng thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờtrượt

- Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID

- Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiểntrượt mờ

- Kiểm nghiệm bằng mô phỏng trên phần mềmMatlab cho thấy những kết quả chính xác, góp phầnđáng kể nâng cao chất lượng hệ điều khiển vi trí

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật Robot, Nhà xuất bản Khoa học

và Kỹ thuật, Hà Nội - 2003

2 Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động,

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 1998

3 Cao Tiến Huỳnh, Điều khiển trượt trên các mặt trượt

mờ, Tuyển tập các báo cáo Khoa học Hội nghị Toàn quốc lần thứ ba về Tự động hóa, Hà Nội - 2000.

4 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải,

Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện,

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 1998

5 Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến và Đoàn Quang

Vinh, Điều khiển động cơ xoay chiều cấp từ biến tần bán

dẫn, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 2003.

6 Phan Xuân Minh và Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều

khiển mờ (in lần thứ 1), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ

thuật, Hà Nội - 1996

7 Phan Xuân Minh và Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều

khiển mờ (in lần thứ 3), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ

thuật, Hà Nội - 2002

8 Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất

bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 1996

9 Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất

bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 2001

10 Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động

thông thường và hiện đại, Quyển 2: Hệ xung số, Nhà

xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 2003

11 Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động

thông thường và hiện đại, Quyển 3: Hệ phi tuyến và hệ ngẫu nhiên, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

- 2003 Nguyễn Đình Phú, Lý thuyết ổn định và ứng

dụng, Nhà xuất bản Giáo dục - 1996.

12 Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, Nhà xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 2003

13 Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hệ phi tuyến,

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 1999

14 Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hệ phi tuyến,

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 1999