Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC

Tuy nhiên,đối với hệ thống máy in, khi yêu cầu điều khiển là hình in ra phải giống như hình mẫu, tốc độ incao năng suất cao thì lại đối mặt với rất nhiều khó khăn như: thô

LỜI NÓI ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, điều khiển chuyển động chính xác, tốc độ cao đã và đang được ứng dụng rấtrộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống như điều khiển máy in, điều khiển hành trình,điều khiển cánh tay robot v.v Đã có rất nhiều phương pháp khác nhau nhằm thực hiện nhiệm

vụ này như dùng bộ điều khiển PID truyền thống, STR (Self Tuning Regulator) v.v Tuy nhiên,đối với hệ thống máy in, khi yêu cầu điều khiển là hình in ra phải giống như hình mẫu, tốc độ incao (năng suất cao) thì lại đối mặt với rất nhiều khó khăn như: thông số của đối tượng điều khiểnthay đổi, tác động xấu của nhiễu đo, tác động của nhiễu hệ thống Do vậy khi các máy in làmviệc với yêu cầu độ ổn định và độ chính xác cao thì các bộ điều khiển trên thể hiện các hạn chế Hệ thống điều khiển thích nghi là hệ thống mà cấu trúc và tham số của bộ điều khiển cóthể thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất lượng đảm bảo các chỉ tiêu đã định.Đặc biệt hệ điều khiển Learning Feed Forward Control (LFFC) trên cơ sở thích nghi theo mô hìnhmẫu (Model Reference Adaptive System: MRAS), đã được nghiên cứu và thiết kế ứng dụng trongthực tế Bộ điều khiển này có ưu điểm là có khả năng kháng nhiễu hệ thống (System Noise) có hiệuquả, nhờ đó độ chính xác và độ ổn định của hệ có thể đồng thời đạt được

Việc ứng dụng Learning Feed Forward trên cơ sở MRAS để điều khiển chính xác vị trí

máy in sẽ nâng cao chất lượng của hệ thống Vì vậy tác giả lựa chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC”

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng thuật toán PID kết hợp LFFC để điều khiểnchuyển động của máy in

Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán của hệ máy in, thiết kế bộ điều khiển

- Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink vàthực nghiệm trên mô hình thực

2 Bố cục luận văn

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan về Learning Feed-Forward Control (LFFC) và Model ReferenceAdaptive Systems (MARS)

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS để điều khiển máy in Chương 4: Thực nghiệm

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Cấu tạo, cấu trúc máy in (công nghệ in)

Máy in công nghiệp được sử dụng rộng rãi hiện nay Cấu tạo của máy in được mô tả một

cách đơn giản bao gồm đầu in gắn trên ụ chuyển qua lại theo phương X, toàn bộ phần thiết bị

chuyển động theo phương X được gắn trên phần chuyển động qua lại theo phương Y Bằng cáchđiều khiển các chuyển động theo các phương X và Y bám theo các quỹ xác định, đầu in sẽ vẽ ramột hình theo mong muốn trên mặt phẳng

1.2 Mô hình toán máy in theo 1 phương

Cấu trúc thực nghiệm của máy in có dạng như (Hình 1.1)

HÌNH1 1: Cấu trúc thực nghiệm máy in

Để xác định được mô hình toán học của hệ thống, trong tính toán, khi bỏ qua những thànhphần phi tuyến của lực ma sát trên phần tử giảm chấn, nếu coi dây curoa nối giữa động cơ và ụtrượt là cứng và bỏ qua khối lượng rôto, khung là vững chắc thì đối tượng sẽ được biểu diễn dưới

dạng mô hình toán học như (Hình 1.2), và có dạng là một khâu bậc 2 tuyến tính được biểu diễn

bằng hệ phương trình trạng thái trong biểu thức (1.1)

HÌNH1 2: Mô hình toán bậc hai

Fri ctio n p

bánh răng

Cầu H

x Trạng thái 2: Vị trí của ụ trượt m Khối lượng của ụ trượt

F Lực tác dụng lên quá trình

m

k Hằng số động cơ

d c Thông số Coulomb của Damper

Bảng1.1: Giải thích các biến và các thông số sử dụng trong các công thức

(1.2) và (1.6)

1.3 Các yếu tố gây ra chuyển động thiếu chính xác cho hệ thống máy in

Các nhiễu lặp và bất định đối tượng trong các hệ thống chuyển động điện cơ (máy in): Một

hệ thống chuyển động điện cơ (Hình 1.3) là một đối tượng cơ khí hoạt động bằng điện mà yêu cầu

điều khiển vị trí của cơ cấu tác động cuối cùng [4] Bộ tạo quỹ đạo chỉ ra một quỹ đạo mong muốncho cơ cấu tác động cuối Các động cơ điện được sử dụng có thể là AC hoặc DC, quay hoặc tuyếntính Các thành phần cơ khí để truyền chuyển động của động cơ điện tới cơ cấu tác động cuối baogồm: các trục, các bánh răng, các dây đai, các liên kết, các vòng bi quay, v.v …

HÌNH 1 3: Hệ thống chuyển động điện cơ

Bộ phát tín

hiệu mẫu

Hệ thống

Đối tượng điện cơ

Cơ cấu

HÌNH 1 4: Mô hình đối tượng và các nhiễu lặp

1.4 Khó khăn cần đối mặt khi thiết kế hệ thống điều khiển

Bài toán đặt ra cho hệ thống điều khiển ở đây đó là hình in ra phải giống như hình mẫu,tốc độ in cao (năng suất cao) khi phải đối mặt với các khó khăn như sau:

- Thông số của đối tượng điều khiển thay đổi

+ Phi tuyến thiết bị truyền động, cảm biến

+ Khe hở và mức độ phù hợp trong bộ truyền động bánh răng

+ Thời gian trễ

- Tác động của nhiễu hệ thống

- Các vấn đề liên quan đến tính độ mềm cơ khí

1.5 Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước

Phần này đưa ra tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.6 Động lực cho việc sử dụng điều khiển PID truyền thống kết hợp Learning

Feed-Forward

Phần này đưa ra giải pháp cho bài toán sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC Giải pháp chophép đồng thời đạt được độ chính xác điều khiển, độ ổn định cao

1.7 Thiết kế hệ thống điều khiển và nhiệm vụ của tác giả

Với mục tiêu Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in ta cần tiến hành các

bước sau: 1- Thiết kế, tính toán cơ hệ chuyển động máy in; 2 - Trên cơ sở của mô hình hệ thốngthực viết các phương trình vi phân mô tả hệ thống, kết hợp với thực nghiệm ta xác định được môhình toán của đối tượng điều khiển; 3 - Dựa trên mô hình toán nhận được lựa chọn cấu trúc điềukhiển phù hợp đó là sự kết hợp giữa PID truyền thống và Learning Feed-Forward đồng thời tínhtoán được thông số của các bộ điều khiển; 4 - Kết quả tính toán thiết kế được kiểm chứng và hiệuchỉnh thông qua mô phỏng; 5 - Thiết kế mạch điện tử thực hiện chức năng các bộ điều khiển; 6 -Triển khai thực nghiệm, hiệu chỉnh thông số trên hệ thống thực, so sánh đánh giá kết quả mô phỏng

và kết quả thực nghiệm

1.8 Mong muốn đạt được

- Chế tạo mô hình cơ của máy in chuyển động đơn sử dụng động cơ điện

- Xây dựng mô hình toán của đối tượng điều khiển

- Xây dựng cấu trúc của hệ thống điều khiển cũng như thông số các bộ điều khiển.

- Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số

- Thiết kế, lắp ráp mạch điện tử tương tự thực hiện chức năng bộ biến đổi cấp điện cho động

cơ điện một chiều

- Thiết kế, lắp ráp mạch điện tử tương tự thực hiện chức năng bộ điều khiển

- Mô hình thực đầy đủ (Mạch lực và mạch điều khiển)

- Tính đúng đắn của giải pháp được chứng minh thông qua kết quả mô phỏng và thực nghiệmkhi có và không có sự tác động của nhiễu hệ thống

1.9 Kết luận chương 1

Như vậy trong chương 1 đã phân tích cơ bản cấu tạo của máy in từ đó xây dựng được môhình toán của hệ thống thực nghiệm Trên cơ sở của các nghiên cứu trong và ngoài nước tác giả đãxác định được nhiệm vụ, khó khăn và mục tiêu của đề tài từ đó đưa ra được các mong muốn đạtđược của đề tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LEARNING FEED-FORWARD CONTROL (LFFC) VÀ

MODEL REFERENCE ADAPTIVE SYSTEMS (MRAS) 2.1 Tổng quan về LFFC

Phần này nghiên cứu phân tích các bộ điều khiển LC, LFF, LFFC

2.2 Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

Hệ thống điều khiển thích nghi là hệ thống mà cấu trúc và tham số của bộ điều khiển có thểthay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho đảm bảo các chỉ tiêu đã định

HÌNH 2 1 Mô hình mẫu và đối tượng

 Phương pháp ổn định của Liapunov

Phần này nghiên cứu tổng quan về phương pháp ổn định của Liapunov

2.3 Bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS

Bắt nguồn từ cấu trúc bộ điều khiển LFFC, luận văn này đề cập đến sự thích nghi của cáctham số của mô hình mẫu dựa trên bộ điều khiển LFFC, mà thực hiện một mô hình ngược của đốitượng Đáp ứng thực của đối tượng được xác định bởi khâu khởi tạo tín hiệu đặt Đối với hệ thốngtuyến tính, có thể chứng minh rằng hệ thống được điều khiển ổn định tiệm cận theo thuyết củaLiapunov So sánh với những cấu trúc mô hình mẫu tiêu chuẩn hơn thì hệ thống này có hiệu suấttốt hơn Nó phản ứng nhanh, bền vững và không nhạy cảm với nhiễu đo lường

Để giải quyết vấn đề này, những khâu xấp xỉ hàm được áp dụng như sau:

_ +

HÌNH 2 2: MRAS cho sự thích nghi của các tham số bộ điều khiển

HÌNH 2 3: MRAS với mô hình có thể hiệu chỉnh cho nhận dạng tham số

HÌNH 2 4 Cấu trúc MRAS với khâu khởi tạo tín hiệu đặt

 MRAS dựa trên điều khiển Feed - Forward

Phần này ta nhận dạng được mô hình ngược của đối tượng và đưa ra bộ điều khiển LFFC

Luật điều khiển thích nghi Bộ điều khiển thích nghi

Hiệu chỉnh mẫu

Mô hình mẫu

Luật điều khiển thích nghi

K

HÌNH2.5 Nhận dạng mô hình ngược của đối tượng

HÌNH2 6 Bộ điều khiển LFFC

 Luật điều khiển thích nghi.

Trong hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu, mô hình mẫu đóng vai trò như một khâukhởi tạo điểm đặt Việc này gợi cho chúng ta thấy rằng có thể sử dụng lý thuyết ổn định củaLiapunov để xét sự ổn định của các thông số am, bm, cm Ta tiếp tục ví dụ về đối tượng bậc 2, nhưng

nó có thể áp dụng hoàn toàn tương tự đối với các đối tượng có bậc cao hơn Ta giả thiết rằng cáctham số của đối tượng là không biết trước và biến thiên chậm Ở tầng này ta cũng giả thiết hàmtruyền của bộ điều khiển Hp=Kp là bằng 0 Phản hồi chỉ sử dụng trong trường hợp để tạo ra tín hiệusai lệch e cho cơ chế tự học

Sự khép kín mạch vòng phản hồi bằng phương pháp hệ số khuếch đại hằng số Kp chỉ làmthay đổi tham số của đối tượng và có thể được bù bởi các giá trị khác nhau của các tham số hiệuchỉnh Ta giả thiết nhiễu bằng 0 Phần sau chúng ta sẽ nhận thấy rằng tham số dm có thể được tínhtoán theo một cách tương tự như các tham số khác

Do đó, bài toán thiết kế của chúng ta sẽ là : Tìm ra một luật hiệu chỉnh (ổn định) cho các tham số

có thể hiệu chỉnh là am, bm, cm sao cho sai lệch e giữa khâu khởi tạo tín hiệu đặt và đối tượng cũngnhư sai lệch của bộ điều khiển Feed - Forward tiệm cận tới 0

Trong luật hiệu chỉnh, đạo hàm của sai lệch là cần thiết Đạo hàm này có thể nhận đượcbằng phương pháp sử dụng 1 bộ lọc biến trạng thái (bậc 2) Dải thông của bộ lọc biến trạng tháiphải được chọn ít nhất là gấp 10 lần so với dải thông của khâu khởi tạo tín hiệu đặt để không làmảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống Mặt khác, sự kết hợp của một bộ lọc biến trạng thái vớimột dải thông không quá rộng và việc sử dụng các trạng thái mô hình cho thích nghi cũng như chođiều khiển làm cho hệ thống không nhạy cảm một cách tương đối với nhiễu đo lường và mang lạimột hệ thống bền vững

+ +

Learning Learning feedforward

+

-

+ +

+ +

+

C

e 

+ +

Đối tượng

Như vậy trong chương 2 đã phân tích được khái niệm cơ bản về bộ điều khiển LearningFeed-Forward, lý thuyết về điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, và bộ điều khiển LFFC trên cơ

sở điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu Từ những kiến thức cơ sở này kết hợp với phương trìnhđộng học trong Chương 1 có thể xây dựng được bộ điều khiển cho máy in là bộ điều khiểnFeedback kết hợp LFFC trên cơ sở điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LFFC TRÊN CƠ SỞ MRAS

ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY IN

3.1 Cấu trúc hệ thống với bộ điều khiển LFFC dựa trên MRAS

Quá trình tính toán dựa trên thông số của mô hình tuyến tính xấp xỉ bậc 2 (đã được trình

bày trong chương I) Hai bộ lọc biến trạng thái và mô hình mẫu H ref có cấu trúc giống nhau Bộ lọcbiến trạng thái thứ nhất đóng vai trò tạo tín hiệu trạng thái mẫu Bộ lọc biến trạng thái thứ hai được

sử dụng để nhận được đồng thời sai lệch vị trí của ụ trượt e và đạo hàm ecủa nó Áp dụng các

bước tính toán ở mục 2.3 chương 2, ta tính được các hệ số của ma trận P và các luật chỉnh định thích nghi các hệ số a m , b m và c m của bộ điều khiển Mô hình mô phỏng hệ thống máy in với bộ điều

khiển learning feed-forward dựa trên MRAS được biểu diễn trong (Hình 3.1) và kết quả mô phỏng

được thể hiện trong hình sau:

HÌNH3 1: Cấu trúc hệ thống với bộ điều khiển LFFC dựa trên MRAS

Tín hiệu mẫu

Thích nghi

am

Thích nghi

bm

Thích nghi

cm

P22

P21

Lọc biến trang thái

PID

2 n

+ + Lọc biến trạng thái

Khuếch đại

+

+ -

+ +

3.2 Tính toán thông số

Để đơn giản cho quá trình tính toán thông số, cấu trúc hệ thống được mô tả rõ hơn như sau:

HÌNH3 2: Cấu trúc chi tiết hệ thốngSau khi áp dụng các bước tính toán như trong Chương 2, ta được kết quả như sau:

Công thức (1.6) chỉ áp dụng được khi mô hình mẫu và đối tượng có dạng bậc 2 Như vậy vớinhững đối tượng có hàm truyền bậc cao hơn, khi tính toán ta phải sử dụng hàm xấp xỉ bậc 2 của

chúng Bộ điều khiển FF chỉ có thế được áp dụng (bù, hiệu chỉnh) cho hệ thống với đối tượng códạng bậc 2 trở xuống nên đây chính là hạn chế của phương pháp này

b a

p p

c a

+ - -

Luật Đ/K thích nghi

+

+ +

+

3.3 Mô phỏng hệ thống

* Cấu trúc mô phỏng

HÌNH 3 3: Cấu trúc mô phỏng hệ thống

P

21

SVF

Bộ phát tín

NL

Đối tượng

P

22

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Nhiễu đo lường e x n e ė +

+

R r r y t d d U fb Uff

+

+

HÌNH3 4: Cấu trúc hệ thống trong simulink

HÌNH 3 5: Cấu trúc LFFC và bộ lọc SVF

HÌNH 3 6: Kết quả mô phỏng và các giá trị thích nghi am, bm, cm

3.4 Kết luận Chương 3

Từ các cơ sở lý thuyết của Chương 1 và Chương 2, tôi đã xây dựng được bộ điều khiểnLFFC trên cơ sở MRAS cho máy in Kết quả điều khiển được kiểm chứng bằng mô phỏng trênphần mềm Matlab simulink

Qua kết quả mô phỏng có các kết luận:

- Hệ thống hoạt động ổn định

- Tín hiệu thực bám với tín hiệu đặt khi cho tín hiệu đặt biến đổi Trong luận văn này giảthiết tín hiệu đặt (vị trí đặt) biến thiên theo quy luật hàm Step Kết quả này cũng đúng khi cho vị tríđặt bất kỳ

- Tín hiệu bám tốt, với các nhiễu đo tác động vào hệ thống, bộ điều khiển LFFC trên cơ sởMRAS đã tạo ra tín hiệu bù phù hợp để khử các tín hiệu nhiễu

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 4.1 Giới thiệu hệ thống máy in

HÌNH4 1: Hệ thống thực nghiệm

Hệ thống máy in có các thành phần: Arduino Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí(encoder) và giao tiếp với máy tính, xuất tín hiệu ra mạch công suất (Cầu H) để điều khiển độngcơ; Mạch cầu H: Thực hiện nhiệm vụ đảo chiều động cơ; Công tắc hành trình dùng để giới hạnhành trình chuyển động của con trượt; Động cơ dùng để truyền động hệ thống; Cơ cấu bánh răng

để thay đổi tỉ số truyền

Động cơ và bánh răng