ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - NGUYỄN ĐẠI TRIÊM ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG THÁO - QUẤN BĂNG VẬT LIỆU GIẤY Chuyên ngành : Tự Động Hóa TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2011 1 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên Cán bộ HDKH : TS Trần Xuân Minh Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Như Hiển Phản biện 2 : TS Nguyễn Văn Vỵ Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào 16 giờ 00 phút ngày 17 tháng 11 năm 2011 Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 2 MỞ ĐẦU Những năm gần đây lý thuyết điều khiển hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế trong đó có điều khiển thích nghi Đặc biệt là điều khiển thích nghi cho các hệ phi tuyến Trong quá trình mô tả người ta thường đưa ra các giả thiết như bỏ qua khâu động khó mô hình hoặc coi tham số không đổi theo thời gian Tuy nhiên trong thực tế các giả thiết đó không đáp ứng được, vì vậy hệ điều khiển thích nghi (ĐKTN) là không bền vững Để ứng dụng ĐKTN điều khiển các hệ thực trong thực tế, việc nâng cao tính bền vững cho hệ ĐKTN là một yêu cầu rất cần thiết Với nội dung “Ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lượng hệ truyền động tháo- quấn băng vật liệu giấy” Luận văn của tôi gồm các phần sau: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững Chương 2: Lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững Chương 3:Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lượng hệ truyền động tháo- quấn băng vật liệu giấy Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc; cùng với sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp Đến nay luận văn đã hoàn thành Qua đây tôi xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô trong khoa Điện trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiêp - ĐH Thái Nguyên; Ban Giám Hiệu cùng toàn thể giáo viên khoa Điện trường Trung cấp Nghề Thừa Thiên Huế đã nhiệt tình giúp đỡ hướng dẫn, cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi tốt nhất Đặc biệt xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Trần Xuân Minh, người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này trong suốt thời gian qua Tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này Mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chưa 3 nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Vì thế, tác giả rất mong tiếp tục được sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2011 Học viên Nguyễn Đại Triêm 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG 1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.1.1 Lịch sử phát triển của ĐKTN Trong các hệ điều khiển tự động truyền thống, các xử lý điều khiển thường dùng các mạch phản hồi là chính Các điều khiển loại này còn tồn tại nhược điểm khó khắc phục là trong quá trình làm việc các yếu tố ảnh hưởng tới hệ thống từ môi trường liên tục bị thay đổi, đồng thời bản thân tham số của hệ cũng bất định dẫn tới chất lượng ra của hệ cũng thay đổi theo Ngày nay do yêu cầu của thực tế sản xuất có công nghệ hiện đại đòi hỏi phải có những bộ điều khiển có thể thay đổi được cấu trúc và tham số của nó để đảm bảo chất lượng ra của hệ theo các chỉ tiêu đã định Với các yêu cầu cao về chất lượng điều khiển các hệ thống điều khiển truyền thống nói chung không đáp ứng được Dựa trên cơ sở của nền kỹ thuật điện, điện tử, tin học và máy tính đã phát triển ở mức độ cao, lý thuyết ĐKTN đã ra đời đáp ứng được những yêu cầu trên và được áp dụng mạnh mẽ vào điều khiển các hệ thống lớn 1.1.2 Định nghĩa và cấu trúc của hệ điều khiển thích nghi Hệ điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động hiện đại mà cấu trúc và tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi đáp ứng theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho đảm bảo các yêu cầu chất lượng của hệ ĐKTN là kỹ thuật tự chỉnh theo thời gian thực các bộ điều chỉnh nhằm duy trì đặc tính của đối tượng điều khiển nằm trong phạm vi mong muốn trong khi thông số của đối tượng (đã biết hoặc chưa biết) biến thiên theo thời gian Các hệ điều khiển thích nghi có thể chia thành 2 nhóm chính: + Hệ điều khiển thích nghi trực tiếp (có mô hình mẫu) + Hệ điều khiển thích nghi gián tiếp (có mô hình ẩn) 1.1.2.1 Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuếch đại Đây là sơ đồ được xây dựng theo nguyên tắc của mạch phản hồi và bộ điều khiển có thể thay đổi thông số bằng bộ điều chỉnh hệ số khuếch đại 5 Đặc điểm của nó có thể làm giảm ảnh hưởng của sự biến thiên thông số 1.1.2.2.Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu Tín hiệu vào của mạch vòng thích nghi là sai lệch của tín hiệu của mô hình mẫu và của đối tượng Mô hình mẫu được chọn sao cho đặc tính của mô hình mẫu là đặc tính mong muốn Mô hình mẫu chọn càng sát đối tượng thì kết quả điều khiển càng chính xác Cơ cấu thích nghi có nhiệm vụ hiệu chỉnh sao cho sai số e(t) = y m- ys tiến về 0 và hệ ổn định Tham số điều khiển là sai số giữa tín hiệu của mô hình mẫu và tín hiệu ra của đối tượng Luật thích nghi thường được xác định bằng phương pháp Gradien, lý thuyết ổn định Lyapunov hoặc lý thuyết ổn định tuyệt đối của Pôpôp và nguyên lý dương động để hệ hội tụ và sai số là nhỏ nhất 1.1.2.3 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh (STR – Self Tuning Regulator) Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh được xây dựng chủ yếu cho hệ gián đoạn, STR là 6 hệ rất mềm dẻo Tuỳ theo việc lựa chọn luật đánh giá và luật điều khiển mà ta có nhiều STR khác nhau Dựa vào thuật toán cập nhật tham số ta chia STR thành 2 loại chính: STR trực tiếp (DSTR) và STR gián tiếp (ISTR) 1.1.3 Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC (Model Reference Adaptive Control) MRAC xuất phát từ phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MRC), trong phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu véc tơ tham số của bộ điều khiển θ C* được tính dựa vào véc tơ tham số của đối tượng θ*, nếu ta không biết véc tơ tham số của đối tượng θ* thì ta không thể tính được véc tơ tham số của bộ điều khiển θ C* Do đó phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu chỉ áp dụng được với đối tượng có thông số và cấu trúc biết trước Tuỳ theo cách thu được véctơ θ(t), MRAC có hai phương pháp: + Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp + Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 1.1.3.1 Phương pháp MRAC trực tiếp Với phương pháp MRAC trực tiếp, thông số của bộ điều khiển θ C(t) được xác định theo yêu cầu về chất lượng của đối tượng điều khiển và biểu diễn dưới dạng tham số trong mô hình đối tượng điều khiển: Gp(s, θ*)  Gp(s, θC*) Tại mỗi thời điểm bộ đánh giá sẽ tính trực tiếp θC*(t) từ tín hiệu vào uS(t) và tín hiệu ra yS(t) của đối tượng điều khiển Thông số θC*(t) sẽ được sử dụng để tính toán các thông số của bộ điều khiển θC(t) Sơ đồ hệ MRAC trực tiếp được chỉ ra trên hình 1.6 7 1.1.3.2 Phương pháp MRAC gián tiếp Trong MRAC gián tiếp các thông số của đối tượng được nhận biết trong quá trình làm việc và được sử dụng để tính toán các thông số của bộ điều khiển 1.1.4 Những nhược điểm của hệ ĐKTN và hướng khắc phục 1.1.4.1 Hiện tượng trôi tham số 1.1.4.2 Mất ổn định do hệ số lớn 1.1.4.3 Mất ổn định do tốc độ thích nghi nhanh * Hướng khắc phục Để có thể ứng dụng điều khiển thích nghi vào điều khiển các hệ thực cần tìm biện pháp nâng cao tính bền vững của hệ bằng điều khiển thích nghi bền vững kết hợp với các hướng sau: - Sử dụng luật điều khiển thông thường kết hợp với bộ đánh giá bền vững; - Sử dụng luật điều khiển bền vững 1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG 1.2.1 Định nghĩa - Định nghĩa 1: Một hệ thống được gọi là bền vững nếu chất lượng E của hệ thống không những thoả mãn cho riêng mô hình đối tượng đang xét G 0(p) mà cho một lớp các mô hình đối tượng G(p) trong đó có đối tượng G 0(p) Hoặc cho cả một lớp các mô hình các sai lệch D so với G0(p) - Định nghĩa 2: Một bộ điều khiển R(p) được gọi là bền vững nếu nó làm cho hệ thống bền vững với chất lượng E cho một lớp các mô hình đối tượng G Hoặc cho một lớp các mô hình có sai lệch D so với đối tượng 8 1.2.2 Mô hình mô tả hệ phi tuyến Đặc điểm cơ bản của hệ phi tuyến là đặc tính của đối tượng khó xác định chính xác và đặc tính này không bền vững Do đó giữa mô hình thay thế và đối tượng thực sẽ tồn tại một sai lệch nào đó Sai lệch về cấu trúc của mô hình được chia thành hai dạng sau: + Sai lệch có cấu trúc + Sai lệch không có cấu trúc (bao gồm sai lệch cộng, sai lệch nhân và sai lệch hệ số) Xét một hệ đơn giản gồm các nhiễu tác động và có sai lệch giữa mô hình và đối tượng như hình vẽ 1.8 1.2.2.1 Các phương pháp mô tả sai lệch a Sai lệch có cấu trúc Sai lệch có cấu trúc là sai lệch biểu diễn được thông qua miền giá trị thích hợp cùng tham số mô hình Khi mô hình hoá đối tượng các thành phần sai lệch ∆S được biểu diễn vào cùng với mô hình dưới dạng tham số b Sai lệch không có cấu trúc Là sai lệch không biểu diễn được qua tham số mô hình mà phải nhờ đến phương pháp tổng quát hơn Các dạng sai lệch không có cấu trúc có thể có một trong ba dạng quan hệ sau đối với đối tượng: * Sai lệch cộng: 9 * Sai lệch nhân * Sai lệch hệ số 1.2.3 Điều khiển bền vững đối với hệ phi tuyến Mục đích của bộ điều khiển là đạt được các tính năng theo yêu cầu và bền vững Để đạt được mục đích đó bộ điều khiển phải thiết kế sao cho ít nhạy cảm, nghĩa là phải bền vững đối với một lớp đặc tính không xác định mà chắc chắn sẽ gặp trong thực tế Nói cách khác là bộ điều khiển bền vững đảm bảo tính năng của nó không những cho mô hình chuẩn của đối tượng mà còn đảm bảo với một họ đối tượng, trong đó có đối tượng đang khảo sát 10 điển hình Unwinder Load cell 1 Process web Nip roller Load cell 2 Rewinder M Mr r r M M u u Driver Mu Driver Mu Tension Tension Controller Controller Load cell Driver Mr Driver Mr Control Control centre centre Encoder Mu Velocity Velocity Controller Controller Encoder Mr Hình 3.6: Quá trình hoạt động và điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 21 Bảng 3.1: Tổng hợp phương trình toán học mô tả hệ thống tháo-quấn băng vật liệu Khâu tháo quấn (Unwind zone) Vận tốc dài tang tháo (m/s): Khâu quấn lại (Rewind zone) Vận tốc dài tang quấn (m/s):    K uU u Ru ÷  ÷ hVu2 1 2 & Vu =  − DuVu + TRu ÷+ J u 0 + K w ( Ru4 − Ru40 )  2π Ru2 2 2 ÷  − 4hK w Ru Vu ÷  ÷ 2π      K rU r Rr ÷  ÷ hVr2 1 2 & = Vr  − DrVr − TRr ÷+ J r 0 + K w ( Rr4 − Rr40 )  2π Rr2 2 2 ÷  − 4hK w Ru Vu ÷  ÷ 2π   Bán kính tang tháo (m): Bán kính tang quấn (m): hVu & Ru = − 2π Ru hVr & Rr = 2π Rr Vận tốc trục quay tang tháo (rad/s): Vận tốc trục quay tang quấn (rad/s): ωu = Vu Ru ωr = Vr Rr Momen quán tính tang tháo (Kg.m2): Momen quán tính tang quấn (Kg.m2): J u = J u 0 + K w ( Ru4 − Ru40 ) J r = J r 0 + K w ( Rr4 − Rr40 ) Lực căng của dải băng (N): VT & T = − r + K (Vr − Vu ) L Với K = EA hệ số đàn hồi L Trong đó: Vu , Vr , Ru , Rr , ωu , ωr , J u , J r , U u , U r , T là ký hiệu viết tắt các hàm biến thiên theo thời gian tương ứng là Vu (t ) , Vr (t ) , Ru (t ) , Rr (t ) , ωu (t ) , ωr (t ) , J u (t ) , J r (t ) , U u (t ) , U r (t ) , T (t ) Ru 0 , Rr 0 : Bán kính của lõi trục quay J u 0 , J r 0 : Momen quan tính của lõi trục quay 1 2 Đặt: K w = ρ hwπ Vì sự phi tuyến mạnh và các biến đổi không xác định trước được của các thông số trong quá trình làm việc của hệ thống cho nên việc điểu khiển ổn định sức 22 căng cho hệ gặp nhiều khó khăn Trong công nghiệp hiện nay thường sử dụng các phương án điều khiển lực căng như hình 3.8 sau: Mu(t) ωr(t) ωu(t) (a) Mr(t) Rr(t) (b) Ru(t) t Hình 3.8: Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên về tốc độ, mômen của các động cơ truyền động cho các con lăn và sự biến thiên bán kính của các tang quay trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu: (a) Động cơ truyền động tháo quấn Động cơ truyền động quấn lại Động cơ truyền động con lăn kẹp (nip roll) Mnip(t) (c) t ωnip(t) t Động cơ điện sử dụng ở đây là động cơ điện một chiều kích từ độc lập vì nó có nhiều ưu điểm Trong quá trình làm việc khi đường kính của tang quay thay đổi và trọng lượng tang quay thay đổi, dẫn đến mô men cản M c và mô men quán tính J quy đổi về trục động cơ cũng thay đổi Điện trở, điện kháng của động cơ cũng thay đổi trong quá trình làm việc vì nhiệt độ thay đổi và mức độ từ hoá mach từ thay đổi Ngoài ra trong quá trình làm việc hệ còn chịu nhiễu tác động Như vậy đây là hệ phi tuyến mạnh Để đáp ứng các yêu cầu đặt trước về tốc độ dài của dãi băng khi tham số của động cơ thay đổi (J, R, X) và mô men cản M c tác động vào hệ thay đổi hệ điều khiển thông thường khó đáp ứng Hướng giải quyết bài toán ở đây sử dụng hệ điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình mẫu để tổng hợp hệ điều khiển 23 Việc mô tả toán học cho đối tượng điều khiển được đưa về mô tả cho đối tượng lý tưởng là động cơ 1 chiều kích từ độc lập với các thông số ở chế độ định mức Trong phương trình mô tả toán học cho động cơ điện một chiều trường hợp này thì đại lượng đầu vào là điện áp phần ứng U d, (điện áp kích từ Uk không đổi) Tín hiệu ra là tốc độ góc của động cơ ω Quy luật thay đổi tốc độ động cơ như sau: Hình 3.9: Quy luật thay đổi tốc độ động cơ Các thông số cụ thể của động cơ một chiều truyền động cho cơ cấu như sau: Pđm = 1,5 [Kw]; Uđm = 220 [V]; Iđm = 9 [A]; nđm = 3000[v/phút]; GD2=0,055[KG.m2] Sử dụng sơ đồ cấu trúc trên hình 3.10 để tổng hợp bộ điều khiển : r ~T θ ω C0* + + η 1 = ∆ m (u p + d u ) + d u + up + + + + (sI - F)-1 g θ 1*T yp G0(s) (sI - F)-1 g ω1 θ *T 2 ω2 θ 3* Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc của MRAC bền vững trực tiếp có sai lệch mô hình Trong đó mô hình đối tượng có dạng: và có nhiễu giới hạn yp = G0(s)[1+∆m(s)](up+du) (2.2.5) 24 Mô hình đối tượng có dạng lý tưởng là: yp0 = G0(s)up ; với G o (s) = k p Zp ( s) (2.2.6) R p ( s) Trong đó: du là nhiễu loạn đầu vào bị giới hạn G0(s): là hàm truyền của phần có mô hình hoá được của đối tượng Chính là mô hình toán học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở chế độ định mức ∆m(s) là sai lệch nhân chưa biết có các điểm cực ổn định Giả thiết: Hàm truyền tổng thể của đối tượng và G0(s) là phù hợp tuyệt đối Trong đó G0(s) thoả mãn các giả thiết sau: P1: ZP(s) là đa thức Hurwit bậc mP P2: RP(s) là đa thức Hurwit bậc nP có giới hạn trên n đã biết P3: Bậc tương đối n*= nP-mP của G0(s) đã biết P4: dấu của độ lợi tần cao kp đã biết Độ bất định ∆m(s) thoả mãn các giả thiết sau: S1: ∆m(s) giải tích trong Re[s]≥-δ0/2 với δ0>0 đã biết nào đó S2: Tồn tại hàm truyền phù hợp W(s), giải tích trong miền: Re(s)≥ -δ0/2 để sao cho W(s) ∆m(s) cũng phù hợp Hàm truyền của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có lượng vào là U ư, lượng ra là n theo tài liệu [5] ta có: W( p) = Kd X R ( p) n ( p) = = X v (p) U v (p) 1 + Tc p + Tu Tc p 2 (3.2 1.1) Trong đó: - Hệ số khuếch đại động cơ: Kđ=1/Cư - Hằng số thời gian điện cơ: Tc = Jđm.Rư/Cư2 - Hằng số thời gian điện từ: Tư = Lư/Rư 3.2 Tổng hợp hệ thống 3.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện BĐ F Uiđ Ui 1 - 1 + Tf p Ri 1 (1 + Tđk p).(1 + Tv p) Ki 25 1 + Ti p E ∂U đ ∂α - 1 R u (1 + Tu p) I Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Uiđ Ui - K Kf i Ru 1(T+)pfđkvi Ri U Hình 3.12: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện thu gọn Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng dòng điện là: I( p) 1 1 1 1 = ≈ 2 2 U id K i 1 + 2τs p + 2τs p K i 1 + 2 τs p (3.2.1.9) 3.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ thích nghi bền vững Mục tiêu là tổng hợp được hệ điều khiển 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 Tín hiệu vào của mạch vòng tốc độ chính là tín hiệu ra của mạch vòng điều chỉnh dòng điện Ta có hàm truyền gần đúng của mạch vòng dòng điện từ biểu thức (3.2.1.8) thay biến p thành s là: I(s) 1 1 1 1 = ≈ 2 2 U id K i 1 + 2τ s s + 2τs s K i 1 + 2τ s s (3.2.2.1) Với các giả thiết trên có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ như hình vẽ 3.13, trong đó Rω(s) là bộ điều chỉnh tốc độ 1 Mđc Uiđ Iư Up 1 Cư Ki Rω(s) J Mc 2Ts s + 1 1 s Yp Kr ω Hình 3.13 : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ Dựa vào sơ đồ khối trên ta có quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống điều khiển như sau: 26 K r Cu  Cu          Ki  K i − M  K r U =   1 − M c (2.Ts s + 1) − .U yp = c  p  2.Ts s + 1  J.s p  J.s.(2.Ts s + 1)  Cu      Ki      Đặt (3.2.2.2) yP = G0(s).[1+∆m(s)].up 3.2.3 Tính toán thông số sơ đồ Thông số của động cơ truyền động tang quay quấn lại tra trong sổ tay như sau: Pđm=1,5[Kw]; Uđm=220[V]; Iđm=9[A]; nđm=3000[Vòng/phút]; Rư=2,06[Ω]; Lư=0,0464[H]; GD2=0.045[kg,m2] Căn cứ vào số liệu tra trong sổ tay ta tính được thông số kỹ thuật của động cơ như sau: - Tốc độ góc định mức: ωđm = 2.π.nđm.60-1 = 2.3,14.3000.60-1 = 313,9[rad/s] - Momen định mức trên trục động cơ: Mđm = Pđm/ωđm = 1500/313,9 = 4,778 [N.m] - Cư định mức: Cư= (Uđm-Iđm.Rư)/ωđm = (220-9.2,06)/313,9= 0,641[V.S] - Hệ số khuếch đại của động cơ: Kđ=1/Cư=1/0,641=1,560 - Hằng số thời gian điện từ: Tư = Lư/Rư = 0,0464/2,06 = 0.24(s) - Mô men quán tính của tang quay và trục động cơ: Jđm=GD2/4=0.045/4=0,011[Kg.m]=0.011.9,81=0.11[N.m] - Hằng số thời gian điện cơ: Tc = Jđm.Rư/Cư2 = 0,0464/2,06 = 0.023(s) Trong thực tế điện cảm, điện trở dây quấn mạch phần ứng là L ư, Rư và Cư là các đại lượng phụ thuộc vào dòng điện theo quan hệ phi tuyến Trên cơ sở các thông số tính toán được của động cơ, ta chọn các thông số của mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ như sau: Ki = Rđ/Kbđ = 0,32 Kr = 9,55.Ufđm/nfđm= 0,18 TS = Tf + Tđk + TV + Ti = 0.2 (s) 27 Tính toán các thông số của mô hình đối tượng, mô hình mẫu và các thông số của bộ điều khiển Ta có: - Mô hình của đối tượng: fs = 1 1 = = 2,5 2.Ts 2.0,2 K ∆ = C u f s / K i = 0,641.2,5 / 0,32 = 5 K G = K ∆ K r = 5.0,18 = 0.9 Kp = a* = KG 0,9 = = 8,18 J 0,11 KG a* 4 ÷ 36 J G o (s) = = = s.(s + f s ) s.(s + f s ) s.(s + 2,5) Sai lệch nhân của mô hình: ∆ m (s) = − M c (s + f s ) M (s + 2,5) =− c K∆ 5 - Mô hình mẫu có dạng: f s2 Ym = ωm = 2 2,5 2 2 3,125 u p = 2 u p = 2 u p 2 2 fs s + 2,5.s + 2,5 2 s + 2,5.s + 3,125 2 s + f s s + 2 1 - Các phần tử của véc tơ θ : ˆ ˆ ˆ c 0 = k m k p == f s2 2.a = 6,25 2.a 1 θ1 = s + 1 − a.(s + 1) = 0 a f s2 θ 2 + θ3 (s + 1) = − (s + 1) 2a Vậy: θ2 = 0 ; f s2 6,25 θ3 = − == − 2a 2a 3.3 Đánh giá chất lượng của hệ 3.3.1 Mô phỏng hệ thống 28 Với các thông số của hệ thống đã tính toán, áp dụng các luật điều khiển và các luật thích nghi bền vững đã tìm hiểu ở trên Dùng phần mềm Matlab (Simulink) ta xây dựng được sơ đồ mô phỏng của hệ điều khiển trên hình 3.9 Sơ đồ khối của các modul con trên các hình từ hình 3-14 đến hình 3-20 Tiến hành mô phỏng so sánh chất lượng động của hệ thích nghi bền vững với hệ điều khiển thông thường với tín hiệu đặt và nhiễu thay đổi được chỉ ra trên các hình 3.21 đến hình 3.26 : Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ thống 3.3.2 Kết quả mô phỏng Tiến hành khảo sát nhiều lần với sự thay đổi của tín hiệu đặt r, nhiễu, mô men Mc nhằm đánh giá chất lượng của hệ ĐKTNBV, khả năng chịu nhiễu tác động của hệ So sánh đặc tính ra của hệ với đặc tính ra của hệ điều khiển thông thường (ĐKTT), ta sẽ chứng minh được hệ thích nghi đối với sự thay đổi của mô men quán tính (khắc phục được sự biến thiên tham số) và bền vững đối với và nhiễu, điều mà hệ ĐKTT khó đạt được 29 - Cho Mc là nhiễu có dạng xung tác động vào hệ thống, tín hiệu đặt là r không đổi ta có kết quả như hình 3.21 Trong đó: + Ym: Đặc tính của mô hình mẫu – là đặc tính mong muốn; + Yp: Đặc tính ra của hệ khi tín hiệu đặt không đổi và Mc có dạng xung; + Yc: Đặc tính ra của hệ ĐKTT; + r: Tín hiệu đặt; + Mc: Nhiễu tác động vào hệ thống Từ kết quả mô phỏng ta thấy: + Đặc tính ra của hệ ĐKTNBV Yp luôn luôn bám theo đặc tính của mô hình mẫu Ym, thời gian quá độ nhỏ, ít chịu nhiễu tác động và ở chế độ xác lập thì đặc tính ra của hệ trùng với đặc tính mong muốn thoả mãn yêu cầu của hệ; + Đặc tính ra của hệ ĐKTT Yc không ổn định và luôn dao động Hình 3.21: Đặc tính ra của hệ khi r quanh đặc tính mong muốn, vì vậy nó không đổi và Mc có dạng xung sẽ không thoả mãn yêu cầu công nghệ của hệ thống - Khi cho Mc là và nhiễu bất kỳ tác động tác động vào hệ thống, tín hiệu đặt r là không đổi ta có kết quả như hình 3.22 Từ kết quả mô phỏng ta thấy: + Đặc tính ra của hệ ĐKTNBV Yp luôn luôn bám theo đặc tính của mô hình mẫu Ym, thời gian quá độ nhỏ, ít chịu nhiễu tác động và ở chế độ xác lập thì đặc Hình 3.22: Đặc tính ra của hệ khi r không đổi và Mc bất kỳ 30 tính ra của hệ trùng với đặc tính mong muốn thoả mãn yêu cầu của hệ thống quấn băng vật liệu; + Đặc tính ra của hệ ĐKTT Yc không ổn định và luôn dao đông quanh đặc tính mong muốn vì vậy nó không thoả mãn yêu cầu công nghệ của hệ thống - Cho Mc là nhiễu có dạng xung tác động vào hệ thống, tín hiệu đặt là r dạng chữ nhật ta có kết quả như hình 3 Từ kết quả mô phỏng ta thấy: + Đặc tính ra của hệ ĐKTNBV Yp vẫn luôn luôn bám theo đặc tính của mô hình mẫu Ym, thời gian quá độ nhỏ, ít chịu nhiễu tác động và ở chế độ xác lập thì đặc tính ra của hệ trùng với đặc tính mong muốn thoả mãn yêu cầu của hệ; + Đặc tính ra của hệ ĐKTT Yc không ổn định và luôn dao động khi có nhiễu Mc và trùng với đặc tính mong Hình 3.23: Đặc tính ra của hệ khi r thay đổi và Mc có dạng xung muốn khi Mc = 0 - Cho Mc là nhiễu có dạng ngẫu nhiên tác động vào hệ thống, tín hiệu đặt là r không đổi có dạng hình xung ta có kết quả như hình 3.24 Từ kết quả mô phỏng ta thấy: + Đặc tính ra của hệ ĐKTNBV Yp vẫn luôn luôn bám theo đặc tính của mô hình mẫu Ym, chịu được nhiễu tác động và ở chế độ xác lập thì đặc tính ra của hệ trùng với đặc tính mong muốn thoả mãn yêu cầu của hệ; Hình 3-24: Đặc tính ra của hệ khi r thay đổi và Mc có dạng bất kỳ 31 + Đặc tính ra của hệ ĐKTT Yc không ổn định và luôn dao động xung quanh đặc tính mong muốn - Cho Mc là nhiễu có dạng ngẫu nhiên tăng dần tác động vào hệ thống, tín hiệu đặt là r thay đổi ta có kết quả như hình 3.25 Từ kết quả mô phỏng ta thấy: + Đặc tính ra của hệ ĐKTNBV Yp vẫn luôn luôn bám theo đặc tính của mô hình mẫu Ym khi Mc tăng dần và ở chế độ xác lập khi Mc vẫn tăng thì đặc tính ra của hệ trùng với đặc tính mong muốn; + Đặc tính ra của hệ ĐKTT Yc không ổn định và giảm Hình 3.25: Đặc tính ra của hệ dần khi Mc tăng dần, xa dần đặc tính khi r thay đổi và Mc biến thiên ngẫu mong muốn nhiên tăng dần - Cho Mc là nhiễu có dạng ngẫu nhiên tăng dần tác động hiệu đặt r thay đổi tăng ta có kết quả như hình 3.26 Từ kết quả mô phỏng ta thấy: + Khi lượng đặt thay đổi và nhiễu thay đổi theo dạng hình sin đặc tính ra của hệ Yp vẫn bám theo đặc tính của mô hình mẫu Ym và ít chịu ảnh hưởng của nhiễu Như vậy hệ luôn thích nghi với sự thay đổi tham số và bền vững với nhiễu tác động Hình 3.26: Đặc tính ra của hệ khi r thay đổi và Mc biến thiên 32 + Đặc tính ra của hệ ĐKTT Y c khi lượng đặt thay đổi và nhiễu thay đổi theo dạng hình sin thì không ổn định và dao động xung quanh đặc tính mong muốn - Khảo sát đặc tính ra của hệ khi cho tín hiệu đặt thay đổi theo yêu cầu công nghệ của hệ thống quấn băng vật liệu với tốc độ của động cơ giảm dần và mô men tăng dần và chịu nhiễu tác động ta có được kết quả như hình 3.26 Từ kết quả mô phỏng ta thấy: + Khi tốc độ và mô men của động cơ thay đổi tương ứng với quá trình động cơ đang quấn vật liệu, đường kính của lô quấn tăng dần dẫn đến để vận tốc dài không đổi thì tốc độ động cơ phải giảm xuống và mô men của động cơ phải tăng lên tương ứng với mô men tải và chịu nhiễu tác động Ta thấy: + Với hệ ĐKTNBV thì tốc độ động cơ (Yp) vẫn bám theo đặc tính mong muốn, ổn định và ở chế độ xác lập đặc tính trùng với đặc tính mong muốn thoả mãn yêu cầu công nghệ của hệ thống; + Đối với hệ điều khiển thông thường thì tốc độ động cơ (Yc) giảm dần khi mô men tăng dần dẫn đến băng vật liệu có thể bị Hình 3.26: Đặc tính ra của hệ khi r chùng do không quấn kịp do vậy không thay đổi và Mc biến thiên tăng dần thoả mãn yêu cầu công nghệ của hệ thống 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận: Trong quá trình nghiên cứu phân tích lý thuyết có thể rút ra một số kết luận sau: - ĐKTN bền vững là phương pháp điều khiển tự động hiện đại, có nhiều ưu điểm được ứng dụng để điều khiển các hệ thống phức tạp trong thực tế nhằm đáp ứng các yêu cầu của nền sản xuất hiện đại Các hệ trong thực tế là các hệ có tham số biến thiên và mô hình có phần không mô hình hoá được Vì vậy khi sử dụng hệ điều khiển thích nghi bền vững thì phần thích nghi sẽ khắc phục được sự biến thiên tham số còn phần bền vững sẽ đảm bảo cho hệ ổn định với một lớp các mô hình tức là khắc phục được các sai lệch về mô hình và nhiễu Như vậy hệ ĐKTNBV đã tận dụng được ưu điểm của cả hai phương pháp để điều khiển hệ thực - Bằng cách sử dụng luật thích nghi bền vững áp dụng vào sơ đồ MRAC, luận văn đã tổng hợp được hệ điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình mẫu và áp dụng vào điều khiển hệ truyền động quấn băng vật liệu giấy Đây là một hệ truyền động phi tuyến, đòi hỏi chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ cao, ổn định Kết quả khảo sát đánh giá bằng mô phỏng luận văn đã đưa ra được các kết luận như sau: - Hệ truyền động quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều là hệ phi tuyến và trong thực tế khi làm việc hệ luôn chịu nhiễu tác động từ môi trường cũng như trong bản thân của hệ, nhưng với bộ điều khiển thích nghi bền vững thì chất lượng ra của hệ luôn đáp ứng được yêu cầu mong muốn - Chất lượng động của hệ tốt hơn hệ điều khiển thông thường, thời gian quá độ nhỏ, lượng quá điều chỉnh nhỏ, ít dao động; - Sai lệch giữa đặc tính của mô hình mẫu và đặc tính của hệ nhỏ; - Chất lượng động và chất lượng tĩnh của hệ ít phụ thuộc vào mô men cản có nghĩa là hệ bền vững với nhiễu Như vậy hệ luôn thích nghi với sự thay đổi tham số và bền vững với nhiễu tác động 34 Với kết quả trên cho phép ta xây dựng được hệ truyền động tháo- quấn băng vật liệu giấy thoả mãn các yêu cầu công nghệ của hệ thống, và đã xác định được tính đúng đắn của đề xuất trên và cho phép áp dụng vào điều khiển hệ thực phục vụ cho sản xuất Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của luận văn nhằm góp phần vận dụng lý thuyết ĐKTNBV vào điều khiển nâng cao chất lượng hệ truyền động quấn băng vật liệu giấy nói riêng và các hệ phi tuyến nói chung 2 Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu và lượng kiến thức có hạn cho nên nội dung luận văn nghiên cứu còn nhiều hạn chế Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để có thể áp dụng tốt kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, đồng thời nghiên cứu thêm các hệ thống điều khiển thông minh khác như điều khiển mờ nơron, mờ trượt, thích nghi mờ, … để so sánh tìm ra kết quả điều khiển tối ưu nhất 35 ... quan lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững Chương 2: Lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững Chương 3:Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lượng hệ truyền động tháo-... việc nâng cao tính bền vững cho hệ ĐKTN yêu cầu cần thiết Với nội dung ? ?Ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lượng hệ truyền động tháo- quấn băng vật liệu giấy? ?? Luận văn. .. khắc phục Để ứng dụng điều khiển thích nghi vào điều khiển hệ thực cần tìm biện pháp nâng cao tính bền vững hệ điều khiển thích nghi bền vững kết hợp với hướng sau: - Sử dụng luật điều khiển thông