` MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của đề tài. Đề tài tập trung nghiên cứu - thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến, thoả mãn tính thích nghi đối với các tham số không biết trước thay đổi theo thời gian và bền vững đối với nhiễu ảnh hưởng từ môi trường. Trong đó, các phần tử phi tuyến không thể hoặc khó mô hình hoá. Bộ điều khiển được thiết kế sao cho tận dụng được các ưu điểm của Điều khiển thích nghi và Điều khiển bền vững. Ứng dụng bộ điều khiển đã thiết kế vào điều khiển hệ phi tuyến trong thực tế. 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. Vì vậy việc nghiên cứu để nâng cao tính bền vững của hệ điều khiển thích nghi là rất cần thiết và cần tập trung nghiên cứu. Do đó tôi chọn hướng nghiên cứu là : “Nâng cao tính bền vững cho bộ điều khiển thích nghi phi tuyến khi tham số đối tượng thay đổi” 3. Nội dung của luận văn Nội dung của luận văn bao gồm những phần sau : • Chương 1 : Tổng quan về lý thuyết điều khiển thích nghi . Nội dung của phần này là tìm hiểu những vấn đề chung về điều khiển thích nghi và xét tính bền vững trong điều khiển thích nghi • Chương 2 :Thiết kế bộ điều khiển thích nghi và thích nghi bên vững Nội dung chương 2 đưa ra các phương pháp tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bên vững và tập trung vào phương pháp tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình mẫu • Chương 3: Nâng cao chất lượng của hệ truyền động bánh răng Nội dung chương 3 là áp dụng phương pháp trên vào điều khiển thiết bị phi tuyến trên thực tế mô hình động cơ một chiều với tải bánh răng. Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lượng bộ điều khiển bằng mô phỏng nhờ phần mềm MATLAB – SIMULINK và chạy thực nghiệm trên phần mềm Cotrol Desk 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. 1 + _ u y 1 2 ITT S A R ` CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.1. Lịch sử phát triển của hệ diều khiển thích nghi. Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu của thực tế mà các hệ điều khiển tự động truyền thống không thoả mãn được. Những năm 70 sự phát triển của kỹ thuật điện tử và máy tính đã tạo ra khả năng ứng dụng lý thuyết này vào thực tế. Trong những năm 80 nhiều thiết kế đã được cải tiến, dẫn đến ra đời lý thuyết ĐKTN bề vững. Một hệ thống ĐKTN được gọi là bền vững nếu như nó đảm bảo chất lượng ra cho một số đối tượng trong đó có đối tượng đang cần xét và trong quá trình làm việc hệ chịu nhiễu tác động. Cuối thập kỉ 80 các công trình nghiên cứu về hệ ĐKTN bền vững, đặc biệt là MRAC cho các đối tượng có thông số biến thiên theo thời gian tuyến tính. 1.2. Đặc điểm chung của hệ thống Điều khiển thích nghi. 1.2.1. Định nghĩa. Hệ Điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc 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 đã định trước. 1.2.2. Cấu trúc hệ điều khiển thích nghi. Cấu trúc tổng quát của hệ ĐKTN được mô tả trên hình 1.1 Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi. Hệ gồm hai khối sau: *Khối 1: Phần cơ bản của hệ điều khiển bao gồm: + Đối tượng: S + Thiết bị điều khiển: R + Mạch phản hồi cơ bản: 2 s c r y u Bé ®iÒu khiÓn C( 0* ) §èi t¦îng ®iÒu khiÓn G (S) ` - Tín hiệu vào của hệ: u - Tín hiệu ra của hệ: y * Khối 2: Phần điều khiển thích nghi bao gồm: + Khâu nhận dạng: I + Thiết bị tính toán: T.T + Cơ cấu thích nghi: A 1.3. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) Để giải quyết được bài toán điều khiển theo mô hình mẫu với đối tượng có thông số thay đổi và cấu trúc không biết trước thì phương pháp điều khiển trên cần kết hợp với phương pháp ĐKTN để thay thế θ C * trong luật điều khiển bằng vec tơ thông số đánh giá θ C . Từ đó xuất hiện phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC). 1.4. Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC Điều khiển thích nghi áp đặt cực (adaptive pole placement control-APPC) xuất phát từ hệ điều khiển áp đặt cực (PPC) áp dụng cho các đối tượng tuyến tính dừng có tham số xác định. Trong điều khiển PPC các yêu cầu chất lượng được chuyển hoá thành các vị trí mong muốn của các điểm cực của hệ kín. Luật điều khiển có phản hồi sẽ được tạo ra để áp đặt các điểm cực của hệ kín vào vùng mong muốn. Cấu trúc của hệ PPC cho đối tượng dạng SISO tuyến tính dừng được chỉ ra ở Hình 1.8. Hình 1.2. Hệ điều khiển PPC. 1.5. Tính bền vững của bộ điều khiển thích nghi Để có thể nghiên cứu và nâng cao được tính bền vững của hệ khi thiết kế bộ điều khiển ta cần phải phân loại và nghiên cứu các đặc tính không xác định của đối tượng rồi tìm cách mô tả chúng. Một khi các sai lệch của mô hình đối tượng được mô tả bằng một vài dạng toán học nào đó thì có thể sử dụng chúng để phân tích tính bền vững của các bộ điều khiển thiết kế cho mô hình đơn giản hoá của đối tượng thực tế. 1.6. Kết luận chương 1. Hệ điều khiển thích nghi đang được tiếp tục nghiên cứu và sử dụng ngày càng nhiều trong thực tế bởi tính ưu việt của nó. Ngoài những ưu điểm mà ĐKTN đạt được thì nhược điểm cơ bản của phương pháp ĐKTN là hệ ít bền vững khi điều khiển các 3 ` đối tượng có phần tử động học không thể mô hình hoá được hoặc khi làm việc có nhiễu tác động. Hệ Điều khiển thích điển hình gồm hai phần chính : bộ đánh giá thông số và luật điều khiển vì vậy khi thiết kế hệ điều khiển thích nghi bền vững cũng đi theo hai hướng sau đây: • Nghiên cứu các bộ đánh giá đặc biệt để đạt được tính bền vững của hệ. • Tìm các luật điều khiển bền vững để ứng dụng vào sơ đồ ĐKTN. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ THÍCH NGHI BỀN VỮNG 2.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu tổng quát cho hệ SISO Hinh 2.1. Mô hình điều khiển sử dụng luật thích nghi 4 ` 2.2. Hệ điều khiển thích nghi cho mô hình có sai lệch Hinh 2.2. Mô hình điều khiển sử dụng luật thích nghi cho đối tượng có tham số bất định 2.3. Xây dựng luật điều khiển thích nghi bền vững Mục tiêu của bài toán đặt ra là vẫn sử dụng luật điều khiển thông thường là điều khiển theo mô hình mẫu, nhưng cải tiến luật thích nghi kinh điển thành luật thích nghi bền vững để tạo nên hệ Điều khiển thích nghi bền vững cho đối tượng là đối tượng phi tuyến có sai lệch mô hình theo kiểu sai lệch nhân và chịu nhiễu tác động. Mục đích của bài toán ở đây là tổng hợp được bộ điều khiển thích nghi R(p) sao cho đáp ứng được chất lượng mong muốn cho một lớp các mô hình S sao cho càng lớn hơn đối tượng chuẩn càng tốt, lúc đó tính bền vững của bộ điều khiển càng cao. Hinh 2.3. Mô hình hệ kín sử dụng luật thích nghi cho đối tượng có tham số bất định 5 ` 2.4. Bộ điều khiển theo MRC với luật thích nghi bền vững Xét trường hợp tổng quát: Mô hình đối tượng có dạng SISO được cho bởi: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 p p p m p u p Z s y k s u d R s = + +D (2.1) trong đó ( ) ( ) , p p R s Z s thảo mãn các giả thiết P1 và P4 và hàm truyên của đối tượng phải là một hợp thức chặt. Với sai lệch mô hình ( ) m sD phải thỏa mãn các điều kiện được nêu ra sau đây: S1. ( ) m sD là là một hàm giải tích trong 0 Re 2 s d - éù ³ êú ëû cho mọi 0 0 d > S2. Tồn tại một hàm truyền chặt giải tích ( ) G s trong 0 Re 2 s d - éù ³ êú ëû và thỏa mãn rằng ( ) ( ) m G s sD là một hợp thức chặt. Chọn hàm truyền đạt của mô hình mẫu được biểu diễn như sau: ( ) ( ) ( ) m m m m m Z s y k r G s r R s = = (2.2) Việc thiết kế tín hiệu điều khiển p u được tiến hành dựa trên mô hình mẫu 2.5. Kết luận chương 2 Các hệ phi tuyến được quan tâm đặc biệt vì nó phản ánh sát với các hệ thực. Điều khiển thích nghi hệ phi tuyến là phương pháp chiếm ưu thế để điều chỉnh các hệ tổng quát trong thực tế. Khi áp dụng phương pháp điều khiển cho các hệ phi tuyến thì nhược điểm cơ bản của phương pháp này là không bền vững. Hệ điều khiển thích nghi điển hình bao gồm hai phần chính: bộ đánh giá tham số và luật điều khiển. Vì vậy bài nâng cao tính bền vững của hệ điều khiển thích nghi cũng đi theo hai hướng sau đây: - Tìm các bộ đánh giá tham số đặc biệt (Luật thích nghi bền vững) để đạt được tính bền vững của hệ điều khiển thích nghi. - Tìm các luật điều khiển bền vững để tổng hợp các sơ đồ điều khiển thích nghi Hệ điều khiển thích nghi bền vững dùng các bộ đánh giá tham số đặc biệt (luật thích nghi bền vững) để đạt được tính bền vững theo mong muốn, trong lúc đó luật điều khiển của hệ vẫn dùng luật điều khiển thông thường như: điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu. 6 ` CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG 3.1 Lựa chọn đối tượng điều khiển Mục tiêu của bài toán đặt ra là ứng dụng hệ điều khiển thích ngi bền vững để điều khiển đối tượng cụ thể trong thực tế là đối tượng phi tuyến có sai lệch. Đối tượng cụ thể ở đây được lựa chọn là cơ cấu truyền động bánh răng, được ứng dụng trong các dây truyền sản xuất và truyền tải. Hình 3.1. Mô hình hệ truyền động bánh răng 3.2 Đánh giá ảnh hưởng của bánh răng đến hệ truyền động. 3.2.1 Sơ đồ tổng quát của hệ truyền động Hệ thống truyền động điện qua bánh răng được mô tả bằng sơ đồ khối như hình 3.2. Trong đó động cơ điện được cấp điện từ lưới qua bộ điều khiển, trục động cơ nối với bánh răng chủ động và truyền chuyển động đến máy sản xuất thông qua bánh răng bị động (hoặc một vài bánh răng trung gian). Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ truyền động qua bánh răng 7 ` 3.2.2 Mô phỏng hoạt động của bánh răng Sơ đồ mô tả quan hệ giữa tốc độ trục chủ động và tốc độ trục bị động như sau: Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động qua bánh răng Hình 3.4. Đặc tính tốc độ của bánh răng chủ động và bị động Nhận xét: Kết quả mô phỏng ở hình 3.4 cho thấy do ảnh hưởng khe hở, đàn hồi và ma sát nên tốc độ trục bị động bị dao động dẫn đến tỉ số truyền tức thời của cặp bánh răng luôn thay đổi, sự thay đổi này có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào tốc độ làm việc của hệ. 3.2.3 Đánh giá quan hệ giữa các Moment trong hệ bánh răng Mô phỏng để đánh giá tác động của khe hở, đàn hồi và ma sát: 8 ` Hình 3.5. Sơ đồ mô phỏng quan hệ Moment của các cặp bánh răng Hình 3.6. Đặc tính quan hệ Moment của các cặp bánh răng Từ các kết quả mô phỏng ở hình 3.6 ta thấy rằng với hệ truyền động qua bánh răng do ảnh hưởng của các yếu tố có tính ngẫu nhiên như khe hở, đàn hồi, ma sát luôn tác động lên hệ thống. Do đó cùng với sự dao động của tốc độ, dẫn đến tỉ số truyền tức thời của cặp bánh răng luôn thay đổi và mô men tác động lên trục bị động cũng dao động, biến đổi theo. 9 ` 3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ truyền động qua bánh răng 3.3.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Trong hệ thống truyền động, sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Hệ điều khiển động cơ là hệ chấp hành T – Đ . Hình 3.7. Cấu trúc chung của cơ cấu chấp hành Thông số của động cơ được cho như sau: Bảng 3.1. Tham số của động cơ 3.3.2 Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu Để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều (qua đó điều chỉnh tốc độ động cơ) chúng ta cần có bộ biến đổi. Ở đây, ta sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng. 10 [...]... sánh giữa bộ điều khi n PID kinh điển và bộ điều khi n thích nghi bền vững theo mô hình mẫu Qua các kết quả thí nghi m hệ thống với bộ điều khi n thích nghi bền vững chỉnh định tham số bộ điều khi n thích nghi bền vững ta thấy bộ điều khi n PID kinh điển có biên độ dao động, rung, độ va đập của tốc độ phía trục bị động tăng lên do đó thực sự không phù hợp với hệ Với bộ điều khi n thích nghi bền vững theo... mô thí nghi m với bộ điều khi n PID Hình 3.27: Kết quả thí nghi m với bộ điều khi n PID - Trường hợp thay đổi tốc độ đặt của động cơ theo chu kỳ Hình 3.28: Tốc độ đầu ra thay đổi có tính chu kỳ sử dụng bộ điều khi n PID ` 21 Hình 3.29: Tốc độ đầu ra thay đổi có tính chu kỳ sử dụng bộ điều khi n thích nghi bền vững 3.5.2 Nhận xét kết quả thí nghi m - Từ kết quả thí nghi m trên hình 3.26 và 3.28 cho thấy... Bước 6: Thiết kế luật thích nghi bền vững Luật thích nghi bền vững này chính là cơ sở để ta cập nhật các tham số thích nghi một cách on-line Được xây dựng trong phần mềm Matlap – Simulink như sau: ` 16 Hình3.17 Mô hình chuẩn hóa tín hiệu Bước 7: Thiết kế bộ điều khi n Các tham số của bộ điêu khi n được cập nhật on-line dựa vào luật điều khi n thích nghi bền vững Hình 3.18 Bộ điều khi n Mô hình mô phỏng... bánh răng Các tham số thích nghi được thể hiện trên hình 3.24 Hình 3.22 Các tham số thích nghi Hình 3.23 Tốc độ đầu ra thay đổi có tính chất chu kỳ So sánh chất lượng của hai bộ điều khi n: ` 19 Hình 3.24 So sánh chất lượng của hai bộ điều khi n Hình 3.25 So sánh chất lượng của hai bộ điều khi n khi tín hiệu đặt thay đổi theo chu kỳ Nhận xét: Từ các kết quả mô phỏng trên cho thấy với bộ điều khi n PID... Sơ đồ cấu trúc hệ điều khi n tốc độ động cơ Hình 3.11a Tốc độ của trục bị động Hình 3.11b Tốc độ của trục chủ động ` 13 3.4 Thiết kế bộ điều khi n tốc độ theo phương pháp thích nghi bền vững Các bước tiền hành thiết kế bộ điều khi n thích nghi bền vững theo mô hình mẫu được tiến hành như sau: Bước 1: Mô hình đối tượng điều khi n Hình 3.12 Mô hình đối tượng điều khi n Bước 2: Xác định bộ lọc đầu vào:... thấy chất lượng làm việc của hệ thống với bộ điều khi n PID chưa bám tốt giá trị đặt, hệ thống còn dao động mạnh chạy chưa êm - Kết quả thí nghi m hệ thống với bộ điều khi n thích nghi bền vững chỉnh định tham số bộ điều khi n thích nghi bền vững thể hiện trên các hình 3.27 và hình 3.29 cho thấy chất lượng của hệ thống đã được cải thiện đáng kể so với bộ điều khi n PID (hình 3.26 và hình 3.28) Nó được... phía trục bị động tăng lên; khi đưa bộ điều khi n thích nghi bền vững vào thay thế, thì bộ điều khi n thích nghi bền vững đã khắc phục được các tồn tại trên, chất lượng động tăng lên rõ rệt, thời gian quá độ giảm, quá trình làm việc của hệ thống ổn định 3.5 Kết quả thí nghi m 3.5.1 Kết quả thí nghi m với bộ điều khi n PID Kết quả thí nghi m - Trường hợp sử dụng hệ điều khi n động cơ là hệ chấp hành... vững cho bộ điều khi n thích nghi phi tuyến khi tham số đối tượng thay đổi Nhiệm vụ cụ thể là nghi n cứu nâng cao chất lượng của hệ truyền động bánh răng Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các chương sau: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết điều khi n thích nghi Chương 2: Thiết kế bộ điều khi n thích nghi và thích nghi bền vững Chương 3: nâng cao chất lượng của hệ truyền động bánh răng... được bộ điều khi n cho hệ thống điều khi n bánh răng thông qua động cơ điện một chiều bằng bộ điều khi n PID, tiến hành đánh giá kết quả nghi n cứu lý thuyết bằng mô phỏng Với kết quả này cho thấy tính đúng đắn của thuật toán điều khi n đã được thiết kế để điều khi n hệ thống - Đã thực hiện thí nghi m để kiểm chứng kết quả lý thuyết bằng hệ thống thí nghi m điều khi n tốc độ động cơ tại Trung tâm Thí nghi m... 0) Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc điều khi n dòng điện ` 12 3.3.7 Thiết kế mạch vòng điều khi n tốc độ Mục tiêu là tổng hợp được hệ điều khi n thích nghi bền vững sao cho lượng ra của hệ thống (tốc độ động cơ) có độ ổn định cao khi có nhiễu tác động và sự thay đổi của mô men quán tính trên trục động cơ cũng như các tham số khác của động cơ Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khi n tốc độ động cơ Sơ đồ . nghi bền vững) để đạt được tính bền vững của hệ điều khi n thích nghi. - Tìm các luật điều khi n bền vững để tổng hợp các sơ đồ điều khi n thích nghi Hệ điều khi n thích nghi bền vững dùng các bộ. PPC cho đối tượng dạng SISO tuyến tính dừng được chỉ ra ở Hình 1.8. Hình 1.2. Hệ điều khi n PPC. 1.5. Tính bền vững của bộ điều khi n thích nghi Để có thể nghi n cứu và nâng cao được tính bền vững. thường là điều khi n theo mô hình mẫu, nhưng cải tiến luật thích nghi kinh điển thành luật thích nghi bền vững để tạo nên hệ Điều khi n thích nghi bền vững cho đối tượng là đối tượng phi tuyến