Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ NGUYỄN ANH ĐỨC NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG MỘT SỐ ĐỐI TƢỢNG PHI TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ NGUYỄN ANH ĐỨC NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG MỘT SỐ ĐỐI TƢỢNG PHI TUYẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - 2014 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Anh Đức Sinh ngày: 24/07/1976 Học viên lớp cao học Khoá 14 - Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Cơ khí Nông Nghiệp Xin cam đoan về luận văn “Nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển số trong một số đối tƣợng phi tuyến” do Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Công hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình./. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Nguyễn Anh Đức ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, nghiêm túc dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Công, luận văn với đề tài: “Nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển số trong một số đối tƣợng phi tuyến” đã được hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Công đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các giảng viên thuộc Khoa Điện; Khoa Điện tử; Phòng Sau đại học … Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù với cố gắng triệt để, song do hạn chế về điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Từ đó, góp phần đưa ứng dụng của đề tài nghiên cứu này vào trong thực tế một cách rộng rãi, hiệu quả. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Anh Đức iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Trang i ii Mục lục iii các từ viết tắt v vi LỜI NÓI ĐẦU 1 MỞ ĐẦU 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÉP BIẾN ĐỔI Z 5 1.1. Tổng quan về phép biến đổi z 5 1.1.1. Phép biến đổi z 5 1.1.2. Tính chất của phép biến đổi z 6 1.2. Các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển số 8 1.2.1. Bộ biến đổi A-D 9 1.2.2. Bộ biến đổi D-A 10 1.2.3. Khâu ngoại suy giữ liệu (ZOH, FOH) 10 1.3. Các mô hình của hệ thống điều khiển số 13 1.4. Ưu và nhược điểm của bộ điều khiển số 17 1.4.1. Hạn chế của điều khiển tương tự và ưu điểm của điều khiển số 17 1.4.2. Ưu điểm của điều khiển tương tự và nhược điểm của điều khiển số . 18 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 23 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ 24 2.1. Phương pháp xấp xỉ theo miền thời gian liên tục 24 2.1.1. Bộ điều khiển tỉ lệ 24 2.1.2. Bộ điều khiển vi phân 24 2.1.3. Bộ điều khiển tích phân 25 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1.4. Bộ điều khiển tỉ lệ vi phân (PD) 25 2.1.5. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân (PI) 25 2.1.6. Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân (PID) 26 2.2. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQR 26 2.3. Phương pháp Dead – Beat [2] 28 2.4. Nâng cao chất lượng bộ điều khiển số bằng cách giảm thông tin thừa [6] 32 2.4.1. Nguyên nhân tạo ra thông tin thừa 33 2.4.2. Cách đánh giá thông tin thừa 33 2.4.3. Các phương pháp giảm thông tin thừa 33 2.4.3.1. Kỹ thuật tương tự 34 2.4.3.2. Kỹ thuật số 36 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 41 CHƢƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG VIÊN BI CÁNH TAY ĐÒN (BALL AND BEAM) 42 3.1. Mô hình hóa hệ thống viên bi cánh tay đòn (Ball and Beam) 42 3.1.1. Các mô hình của hệ thống Ball and Beam 42 3.1.2. Mô hình toán học của hệ thống Ball and Beam 45 3.1.3. Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của hệ thống 48 3.2. Thiết kế bộ điều khiển số cho hệ thống Ball and Beam 51 3.2.1. Sử dụng bộ điều khiển số PID 51 3.2.1.1. Điều khiển góc quay động cơ 52 3.2.2. Điều khiển vị trí bóng (ball) 54 3.2.2. Sử dụng bộ điều khiển số tối ưu LQR 57 3.3. Cắt giảm thông tin thừa bằng phương pháp số - Agorit ngoại suy bậc thang . 61 3.3.1. Cắt giảm thông tin thừa khi sử dụng bộ điều khiển PID 61 3.3.2. Cắt giảm thông tin thừa khi sử dụng bộ điều khiển LQR 64 3.4. Mô hình hệ thống chạy thực nghiệm 68 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 72 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 73 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Ý nghĩa 1 PID Proportional Integral Derivative 2 PI Proportional Integral vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Quá trình rời rạc hoá tín hiệu 6 Hình 1.2: Hệ điều khiển số nối tầng bộ điều khiển số. 8 Hình 1.3: Khâu biến đổi tín hiệu ADC. 9 Hình 1.4: Khâu biến đổi tín hiệu DAC. 10 Hình 1.5: Khâu giữ mẫu bậc 0. 11 Hình 1.6: Sơ đồ đáp ứng của khâu giữ mẫu bậc 0 (ZOH). 11 Hình 1.7: Đặc tính biên pha của khâu giữ mẫu bậc 0 (ZOH). 12 Hình 1.8: Khâu giữ mẫu bậc một (FOH). 12 Hình 1.9: Sơ đồ đáp ứng khâu giữ mẫu bậc một (FOH). 13 Hình 1.10: Đặc tính Khâu giữ mẫu bậc một (FOH). 13 Hình 1.11: Mô hình hệ hở 14 Hình 1.12: Mô hình hệ kín không có bộ điều khiển số 15 Hình 1.13: Mô hình hệ kín có bộ điều khiển số 15 Hình 1.14: Mô hình hệ gián đoạn điều khiển từ máy tính 16 Hình 2.1. Hệ thống điều khiển Dead-beat 30 Hình 2.2. Mô tả phương pháp ngoại suy bậc thang 34 Hình 2.2. Phương pháp ngoại suy bậc thang 35 Hình 2.3. Phương pháp nội suy tuyến tính 36 Hình 2.4. Phương pháp ngoại suy bậc thang 38 Hình 2.5. Phương pháp nội suy tuyến tính 40 Hình 3.1. Mô hình Ball and beam dạng 1 44 Hình 3.2. Mô hình Ball beam dạng 2 44 Hình 3.3: Sơ đồ Ball and beam 45 Hình 3.4. Sơ đồ điều khiển Ball and Beam bằng PID 51 Hình 3.5. Mô phỏng motor trên Simulink 53 Hình 3.6. Đáp ứng đầu ra của motor 53 Hình 3.7. Sơ đồ điều khiển vị trí bóng 54 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.8. Thay PID bằng khối khuếch đại (Zeigler Nichols) 54 Hình 3.9. Đáp ứng đầu ra của hệ thống với hệ số khuếch đại 55 Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng bộ điêu khiển số 56 Hình 3.11. Đáp ứng đầu ra của hệ khi có bộ điêu khiển số 56 Hình 3.12. Đáp ứng đầu ra của tín hiệu điều khiển 56 Hình 3.14. Mô hình điều khiển khi có bộ điêu khiển LQR số 59 Hình 3.15. Đáp ứng đầu ra của hệ điều khiển Ball and Beam với LQR 60 Hình 3.16. Đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển 60 Hình 3.17. Đáp ứng đầu ra hệ khi dùng 2 bộ điều khiển 61 Hình 3.18 Mô hình kiểm chứng khi dùng phương pháp cắt giảm thông tin thừa - PID 61 Hình 3.19. Số lượng mẫu của tín hiệu điều khiển 62 Hình 3.20. Số lượng mẫu của tín hiệu đầu ra 63 Hình 3.21. Đáp ứng đầu ra khi thực hiện việc cắt giảm thông tin thừa - PID 64 Hình 3.22. Đáp ứng tín hiệu điều khiển khi thực hiện việc cắt giảm thông tin thừa - PID 64 Hình 3.23. Sơ đồ kiểm chứng khi cắt giảm TTT - LQR 65 Hình 3.24. Số lượng mẫu của tín hiệu điều khiển 65 Hình 3.25. Số lượng mẫu của tín hiệu đầu ra 66 Hình 3.26. Đáp ứng đầu ra khi thực hiện việc cắt giảm thông tin thừa - LQR 67 Hình 3.27. Đáp ứng tín hiệu điều khiển khi thực hiện việc cắt giảm thông tin thừa - LQR 67 Hình 3.28a. Mô hình khối hệ thực nghiệm cho Ball and beam 68 Hình 3.28b. Mô hình ball and beam tại phòng thí nghiệm 68 Hình 3.29. Mô hình khối hệ thực nghiệm cho ball and beam trong Matlab-Simulink 69 Hình 3.30. Kết quả chạy thực nghiệm cho hệ ball and beam 70 Hình 3.31. Sai lệch giữa vị trí đặt và vị trí thực của viên bi 70 Hình 3.32. Tín hiệu điều khiển 70 Hình 3.33. Kết quả chạy thực nghiệm cho hệ ball and beam 70 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.34. Kết quả chạy thực nghiệm cho hệ ball and beam khi tín hiệu đặt thay đổi 71 [...]... thụng tin tha Do vy, cn phi cú cỏc thut toỏn loi b cỏc thụng tin tha trờn T tỡnh hỡnh thc t v iu kin nghiờn cu ca bn thõn, trong ti ny tỏc gi la chn vn nghiờn cu vi tờn ti l: Nõng cao cht lng b iu khin s trong mt s i tng phi tuyn" 2 Mc tiờu cn t c Kho sỏt cỏc phng phỏp thit k b iu khin s, cho cỏc i tng c mụ t di dng hm truyn hoc mụ t di dng phng trỡnh vi phõn xut phng ỏn nõng cao cht lng cho b iu... khin t ng hc Tin hc: Phn mm phi cú tinh cht cu trỳc, s dng ngụn ng gn vi ngụn ng mỏy (assembly) hoc ngụn ng cp cao nhng cng cú c tớnh ca hp ng nh ngụn ng C Trong mi trng hp nhng khú khn riờng ca vic lp trỡnh l vn v thi gian thc, tỏc ng nhanh v an ton iu khin: Vic mụ hỡnh hoỏ h thng (Z) n gin trong h thng 1 bin vo, 1 bin ra Trong trng hp mỏy in c th, l mỏy in ng b, khụng ng b l phi tuyn v nhiu bin, mt... chng trỡnh lm vic Mụ hỡnh thớ nghim Ball and Beam ti phũng thớ nghim o lng - iu khin c s dng kim chng cỏc thut toỏn c a ra trong ti ny ti Nõng cao cht lng b iu khin s trong mt s i tng phi tuyn c xut vi mc ớch: Mụ phng b iu s cho h thng Ball and beam trờn phn mm MatLab Nõng cao cht lng b iu s cho h thng Ball and beam trờn phn mm MatLab v thc nghim trờn i tng thc S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/... ngha khoa hc: B iu khin c xut khc phc c cỏc nhc im ca b iu khin s thụng thng iu ny cú ý ngha rt ln v mt khoa hc trong vic iu khin cỏc i tng phi tuyn ti ny s cp n ng dng ca thut toỏn ct gim thụng tin tha trong vic iu khin i tng phi tuyn c bit l iu khin h Ball and beam b í ngha thc tin: Trong lun vn ny tỏc gi ó xõy dng b iu khin s kt hp thờm vic ct gim thụng tin tha iu khin h Ball and beam Qua thc... khin cỏc i tng phi tuyn Song phn ln cỏc nghiờn cu cha t c kt qu nh mong mun Vic nõng cao cht lng b iu khin s l mt hng nghiờn cu c nhiu nh iu khin hc quan tõm Cỏc h thng iu khin s hin nay thng s dng mỏy tớnh iu khin Do vy cn phi thu thp nhiu thụng tin, cựng vi ú cỏc thut toỏn iu khin khỏ phc tp yờu cu thi gian tớnh toỏn nhiu, trong khi ú ỏp ng v mt tc ca cỏc mỏy tớnh cú hn, v c bit trong quỏ trỡnh... s Trong iu khin s thng c coi l iu khin phc tp Cỏc bin iu khin khú truy nhp, tr trng hp chng trỡnh phn mm ó d kin Nu ta s dng b x lý thc hin nhiu chc nng cn phi thc hin tm nhỡn tng th iu khin s cú th lnh hi tinh thn ca iu khin tng t i vi cỏc mch vũng bờn trong lm gn ỳng liờn tip, chia ct bi toỏn ln thnh nhng bi toỏn nh iu khin s l phng phỏp t ng iu khin cỏc mỏy cụng tỏc (mỏy cụng c, rụ bt, ng c ) trong. .. khin tng t cú cỏc u im ni bt m khi chuyn sang k thut s ta phi lu ý gii quyt Nhng iu ny cn chỳ ý khi thit k h thng iu khin, c bit l h iu khin truyn ng in */Tỏc ng nhanh Cỏc hin tng in t trong mỏy in v b bin i thng xy ra rt nhanh v cú th phỏ hu ton b h thng nu xy ra s c K thut iu khin tng t tỏc ng gn nh tc thi trong khi cỏc c cu s tỏc ng cú thi gian Trong iu khin s, vn thi gian tỏc ng c t ra theo cỏc gúc... vi cỏc b bin i chm, vớ d b chnh lu tiristor lm vic vi li 50Hz trong trng hp ny iu khin c coi nh rt lý tng cú th thc hin cỏc chc nng bo v v iu chnh c thc hin bng b vi x lý cú tớnh nng thụng thng i vi cỏc b bin i tỏc ng nhanh nh b bm (iu khin tn s, bin tn) lm vic tn s hng chc kHz trong trng hp ny b VXL tỏc ng rt nhanh cng phi lu ý c bit v phi d tớnh cỏc chin lc iu khin da trờn cỏc gii phỏp phn cng v... phỏp thit k b iu khin s v nõng cao cht lng ca b iu khin s Chng 3: Nõng cao cht lng ca h thng viờn bi cỏnh tay ũn S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 M U 1 Lý do chn ti Vi s ra i ca lý thuyt iu khin hin i (iu khin thớch nghi, iu khin m, mng nron) ó to iu kin cho vic xõy dng cỏc b iu khin thụng minh ỏp ng yờu cu cụng ngh ngy cng cao ca nn sn xut hin i Trong nhng nm gn õy ó cú nhiu... khụng ng b l phi tuyn v nhiu bin, mt s bin nh mụ men, t thụng rụto, dũng in trong dõy qun cn rụto l khụng o c V mt thụng s ch yu ca mỏy in nh in tr rụto ca ng c khụng ng b khụng phi l hng s */ Tỏc ng liờn tc Cỏc linh kin tng t cú s tỏc ng nhanh v liờn tc trong khi ú cỏc linh kin s lm vic vi cỏc i lng ri rc a s i lng vt lý trong thc t l cỏc i lng liờn tc iu khin thun s ũi hi s dng cỏc b bin i tng t- . cao chất lƣợng bộ điều khiển số trong một số đối tƣợng phi tuyến được đề xuất với mục đích:  Mô phỏng bộ điều số cho hệ thống Ball and beam trên phần mềm MatLab.  Nâng cao chất lượng bộ. khiển thì có rất nhiều dạng điều khiển như: điều khiển kinh điển, điều khiển bền vững, điều khiển phân tán, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển nơron trí tuệ nhân tạo và điều khiển. Chương 2: Phương pháp thiết kế bộ điều khiển số và nâng cao chất lượng của bộ điều khiển số Chương 3: Nâng cao chất lượng của hệ thống viên bi cánh tay đòn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/