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 Chun ngành : Tự Động Hóa TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2012 Luận văn hoàn thành trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên Cán HDKH : TS Nguyễn Văn Vỵ Phản biện :PGS TS Bùi Quốc Khánh Phản biện : TS Đỗ Trung Hải Luận văn 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 30 phút ngày 25 tháng 01 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên MỞ ĐẦU Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài nghiên cứu ứng dụng lý thuyết Điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển cho đối tượng phi tuyến áp dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu Tính cấp thiết đề tài Hiện điều khiển thực tế chủ yếu sử dụng điều khiển PID Bộ điều khiển PID với tham số lựa chọn phù hợp nói chung đáp ứng yêu cầu đối tượng điều khiển tuyến tính Tuy nhiên hệ thống cần điều khiển thực tế hệ phi tuyến, có chứa tham số trước chứa phần tử phi tuyến khơng thể khó mơ hình hóa việc xây dựng hệ thống phương trình vi phân mô tả hệ Các tham số trước số biến thiên theo thời gian - Có thể biến thiên chậm nhanh theo thời gian Ngồi q trình làm việc hệ bị nhiễu tác động từ môi trường Điều khiển hệ phi tuyến nói điều khiển PID thơng thường nói chung khơng đáp ứng Khi cần thiết kế điều khiển có khả điều khiển hệ phi tuyến chịu ảnh hưởng nhiễu từ môi trường, thường sử dụng lý thuyết điều khiển đại : điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững (ĐKBV) điều khiển thích nghi (ĐKTN) Hệ điều khiển thích nghi hệ điều khiển tự động mà cấu trúc tham số điều khiển thay đổi theo biến thiên thông số hệ cho chất lượng hệ đảm bảo tiêu định ĐKTN kỹ thuật tự chỉnh theo thời gian thực điều chỉnh nhằm trì đặc tính đối tượng điều khiển nằm phạm vi mong muốn thông số đối tượng (Đã biết chưa biết) biến thiên theo thời gian Vì lý việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ĐKTN vào điều khiển hệ thực cần thiết cần tập trung nghiên cứu Hệ truyền động quấn băng vật liệu sử dụng nhiều thực tế hệ có tính phi tuyến mạnh Để đáp ứng yêu cầu điều khiển sử dụng điều khiển thích nghi Vì tơi chọn hướng nghiên cứu : “Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi ứng dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu” Nội dung luận văn Nội dung luận văn bao gồm phần sau : Chương : Tìm hiểu tổng quan lý thuyết điều khiển thích nghi Nội dung phần tìm hiểu vấn đề chung ĐKTN Chương : Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu Nội dung phần sâu vào phương pháp Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu, làm sở để tổng hợp điều khiển cho toán ứng dụng Chương Chương : Tổng hợp hệ MRAC cho hệ truyền động quấn băng vật liệu Từ nghiên cứu lý thuyết tiến hành tổng hợp điều khiển cho đối tượng cụ thể hệ truyền động quấn băng vật liệu dùng động chiều Chương Kiểm nghiệm, đánh giá chất lượng Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lượng điều khiển mô nhờ phần mềm MATLAB - SIMULINK Từ kết thực nghiệm nhận ta tiến hành đánh giá nội dung phương pháp rút kết luận chung đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn TS NGUYỄN VĂN VỴ tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình hồn thành nội dung luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Điện – trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tạo điều kiện, giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu đề tài Cuối xin chân thành cảm ơn giúp đỡ Ban giám hiệu, Phòng quản lý đào tạo sau đại học - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cho phép tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên 01 thang 01 năm 2013 Người thực Nguyễn Thị Bích Thủy CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.1 - Lịch sử phát triển hệ diều khiển thích nghi 1.2 Đặc điểm chung hệ điều khiển thích nghi 1.3 - Hệ điều khiển thích nghi theo mơ 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 ứng dụng 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 ưu điểm quan trọng sử dụng phù hợp hệ thống điều khiển tự động lớn, thông số cấu trúc hệ biến thiên liên tục, yêu cầu chất lượng cao Trong thời gian gần phương pháp điều khiển thích nghi phát triển hoàn thiện với tốc độ nhanh đặc biệt hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu hệ tự chỉnh đạt nhiều kết Từ luật điều khiển đại cho nhiều điều khiển theo chương trình cho cho hệ thống truyền động điện Để minh chứng cho điều tơi nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu MRAC Chương II HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU 2.1 Đặc điểm 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 sở lí thuyết ổn định tuyệt đối nguyên lí dương hệ thống động 2.5 Kết luận chương II Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu phương pháp quan trọng điều khiển thích nghi Đây phương pháp áp dụng nhiều thực tế Đây cách thuận tiện để đưa thông số kĩ thuật cho vấn đề truyền động điện có điều khiển thích nghi Các tham số thay đổi dựa vào phản hồi từ sai số đầu hệ thống đầu mô hình điều khiển Trong chương tơi phân tích, nghiên cứu hệ ĐKTN theo mơ hình mẫu, hệ ĐKTN trực mơ hình mẫu, hệ ĐKTN gián mơ hình mẫu, phương pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov, tổng hợp luật thích nghi sở lí thuyết ổn định tuyệt đối Các bước nghiên cứu cụ thể từ cấu trúc chung hệ nguyên lí làm việc, phương pháp tổng hợp luật ĐKTN Từ làm sở tổng hợp MRAC cho hệ truyền động điện chiều CHƯƠNG 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 hệ tháo – quấn dây 3.1.2 Kết cấu khí phận quấn dây 3.1.3 Yêu cầu công nghệ cấu quấn dây 3.1.4 Thiết kế điều khiển 3.2 MƠ TẢ TỐN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ĐKTN cho cấu quấn dây 3.3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện I 3.3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 3.4 Tổng hợp sơ đồ cấu trúc hệ Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi điều khiển cấu quấn d d + + Ku _ =1 + _ D p m U m D p l2 1 + + m + + U Ki.Js p tr 4Ts.K U r.Cu p2 l2 ϖ + + ϖ Q 4Ts Kp +1 = 1/ Ki + v p C K u r K 1r 4Ts(2T s.p+1) + + + + + + p A m Mz Jv ar ε 1 ω K r ω dây trình bày hình 3.12 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Hệ truyền động quấn băng vật liệu hệ có tính phi tuyến mạnh trình làm việc chịu tác động nhiễu Do đặc điểm công nghệ tốc độ động phải thay đổi theo quy luật định Vì điều khiển hệ quấn dây vật liệu hệ điều khiển truyền thống nói chung khơng đáp ứng Để giải yêu cầu công nghệ cần sử dụng hệ truyền động đại Điều khiển thích nghi hệ thay đổi tham số cấu trúc phù hợp với biến thiên tham số đối tượng, ứng dụng vào điều khiển hệ Đối tượng điều khiển có cấu trúc tham số biết trước ứng dụng hệ Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu vào diều kiển cấu hợp lý, đáp ứng yêu cầu công nghệ CHƯƠNG IV KIỂM NGHIỆM CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4.1 MỤC ĐÍCH, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG KIỂM NGHIỆM 4.2 TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG MATLAB-SIMULINK Với thông số điều khiển tìm đựơc sơ đồ cấu trúc điều khiển phần mềm MALTLAB 6.5, sơ đồ mô MATLAB -SIMULINK hệ điều khiển hình H4.1 Ud Mc U p2 Scope Omega Ed Mơ hình động khơng thích nghi U cd Omega Ed Mc U p2 Omega U p2 Signal Up2 Up2 Signal1 Up Omega Ud Omega mau Omega U p2 Em Ed Pulse Generato r Scope Omega1 Omega.mau Signal.5 Omega Bộ điều khiển thích nghi Ud Scope Omega Mơ hình động có thích nghi Ud Mc Omega mau Scope Omega mau Omega mau Em Mơ hình mẫu H4.1: Sơ đồ mơ SIMULINK hệ thống 10 4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trên sở tiến hành khảo sát đặc tính hệ các thơng số hệ thay đổi (Momen quán tính J biến thiên momen cản Mc thay đổi) Các kết mô hình H4.6 ÷ H4.14 Hình 4.6: Đặc tính hệ đường kính cuộn dây Mc thay đổi Khi tín hiệu đặt thay đổi theo u cầu cơng nghệ mô men cản Mc biến thiên đặc tính hệ Yp bám theo đặc tính mong muốn Ym Hình 4.7: Đặc tính hệ lượng đặt phụ tải thay đổi Khi tín hiệu đặt thay đổi mơ men cản Mc biến thiên đặc tính hệ Yp bám theo đặc tính mong muốn Ym H 4.8: Đặc tính hệ J Mc thay đổi Như đặc tính bị ảnh hưởng momen quán tính thay đổi nhiễu tác dụng, nghĩa hệ thích nghi với thay đổi tham số 11 H4.9: Đặc tính hệ nhiễu thay đổi dạng xung tam giác Trong trường hợp nhiễu thay đổi dạng xung tam giác nhảy cấp, nhận thấy Mc thay đổi nhảy cấp đặc tính Y c chưa có thích nghi thay đổi theo, đặc tính hệ Yp bám theo đặc tính mong muốn Ym H4.10: Đặc tính hệ nhiễu thay đổi nhảy cấp Khi nhiễu Mc thay đổi nhảy cấp, đặc tính hệ ĐKTN Y p bám theo đặc tính Yp chịu ảnh hưởng nhiễu tác động H4.11: Đặc tính hệ nhiễu thay đổi ngẫu nhiên Khi nhiễu Mc thay đổi nhảy cấp, đặc tính hệ ĐKTN Y p bám theo đặc tính Yp chịu ảnh hưởng nhiễu tác động 12 H4.12: Đặc tính hệ thay đổi ngẫu nhiên Khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên, nhận thấy thời điểm mà Mc thay đổi đáp ứng tốc độ đặc tính khơng có thích nghi Y c thay đổi theo Nhưng đặc tính hệ Yp bám theo đặc tính mong muốn Ym H4.13: Đặc tính hệ thay đổi dạng hình sin có chu kì Khi nhiễu thay đổi dạng sin ngẫu nhiên, nhận thấy thời điểm mà Mc thay đổi từ Min → Max đáp ứng tốc độ đặc tính khơng có thích nghi Yc thay đổi từ Max → Min Nhưng đặc tính hệ Y p bám theo đặc tính mong muốn Ym H4.14: Đặc tính hệ thay đổi ngẫu nhiên 13 Khi nhiễu Mc thay đổi ngẫu nhiên, đặc tính hệ ĐKTN Yp bám theo đặc tính Ym chịu ảnh hưởng nhiễu tác động 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Bằng cách sử dụng luật thích nghi thay cho luật điều khiển thông thường ta tổng hợp điều khiển thích nghi áp dụng cho hệ truyền động điện chiều quấn băng vật liệu hệ sử dụng thực tế đòi hỏi tiêu điều chỉnh tốc độ cao Qua kết kiểm tra mô hệ thống ta đưa kết luận sau : hệ truyền động hệ phi tuyến thực tế hệ làm việc bị nhiễu tác động từ mơi trường với điều khiển thích nghi chất lượng hệ ln bám theo đặc tính mong muốn : + Chất lượng động hệ tốt hệ truyền động thông thường: thời gian độ nhỏ, lượng điều chỉnh nhỏ, dao động + Khi lượng đặt khơng đổi sai lệch đặc tính hệ nhỏ Chất lượng động chất lượng tĩnh không phụ thuộc vào mô men cản nghĩa hệ bền vững nhiễu Với kết kiểm nghiệm cho phép ta xây dựng hệ truyền động thoả mãn yêu cầu đặt trước cho đối tượng đòi hỏi chất lượng điều chỉnh cao KẾT LUẬN CHUNG Trong trình nghiên cứu, thu số kết sau: Sau thời gian tìm tịi học hỏi, tơi hồn thành luận văn theo đề cương phê duyệt Đã nghiên cứu cấu trúc dạng hệ thống ĐKTN 14 Đã tổng hợp hệ ĐKTN theo mơ hình mẫu trực tiếp cho động điện chiều Đã tổng hợp hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu Qua kết khảo sát với đối tượng cụ thể, kết luận: - Hệ ĐKTN cải thiện nâng cao tính ổn định hệ thống điều khiển nêu phần lí thuyết - Hệ ĐKTN có khả chống biến thiên tham số, đáp ứng u cầu q trình cơng nghệ thực tế 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Vũ Gia Hạnh, Phan Tử Thụ (1992): Máy điện - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội Nguyễn Cơng Hiền (2005): Mơ hình hố mơ - Giáo trình dành cho cao học Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2002): Truyền động điện - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2002): Điều chỉnh tự động truyền động điện - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội Võ Quang Lạp, Trần Thọ (2004 - dịch): Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội Nguyễn Thương Ngơ (1999): Lí thuyết điều khiển tự động đại - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội Nguyễn Thương Ngơ (2001): Lí thuyết điều khiển tự động - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội Nguyễn Phước Doãn, Phan Xuân Minh (2000): Hệ phi tuyến - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội Nguyễn Phước Dỗn (2005): Lí thuyết điều khiển nâng cao - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 10.Nguyễn Phùng Quang (2004): MATLAB & Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động - NXB Khoa học 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 ... yêu cầu điều khiển sử dụng điều khiển thích nghi Vì tơi chọn hướng nghi? ?n cứu : ? ?Nghi? ?n cứu lý thuyết điều khiển thích nghi ứng dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu? ?? Nội dung luận văn Nội... lý việc nghi? ?n cứu ứng dụng lý thuyết ĐKTN vào điều khiển hệ thực cần thiết cần tập trung nghi? ?n cứu Hệ truyền động quấn băng vật liệu sử dụng nhiều thực tế hệ có tính phi tuyến mạnh Để đáp ứng. .. phương pháp Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu, làm sở để tổng hợp điều khiển cho toán ứng dụng Chương Chương : Tổng hợp hệ MRAC cho hệ truyền động quấn băng vật liệu Từ nghi? ?n cứu lý thuyết tiến