Nghiên cứu bộ điều khiển PID kết hợp với thuật toán NSGA II để điều khiển cơ cấu chuyển động thẳng với độ phân giải micron

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ MINH CHÍNH NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KẾT HỢP VỚI THUẬT TOÁN NSGA-II ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG THẲNG VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI MICRON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ SKC007709 Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2021 Dạ e làm ql NSG a BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ MINH CHÍNH NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KẾT HỢP VỚI THUẬT TOÁN NSGA-II ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG THẲNG VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI MICRON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520114 (dịng 25) năm bảo vệ) Tp Hồ Chí Minh, tháng …/… (chữ thường, cỡ 13; ghi tháng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ MINH CHÍNH NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KẾT HỢP VỚI THUẬT TOÁN NSGA-II ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG THẲNG VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI MICRON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520114 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HUY TUÂN (dòng 25) bảo vệ) Tp Hồ Chí Minh, tháng …/… (chữ thường, cỡ 13; ghi tháng năm i ii iii iv v vi LÝ LỊCH KHOA HỌC (Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học) I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: HỒ MINH CHÍNH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 03/08/1991 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: Bình Định Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước học tập, nghiên cứu: Giảng viên, Bộ Môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Cao đẳng kỹ thuật Cao Thắng Chỗ riêng địa liên lạc: số 42, Bưng Ơng Thồn, phường Phú Hữu, quận 9, thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại quan: 028 3821 2360 Điện thoại nhà riêng: 0966911879 Fax: E-mail: minhchinhho@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 7/2013 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Cơ điện tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Biên soạn tài liệu Thực tập Robot công nghiệp Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 27/07/2013, Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: ThS Tưởng Phước Thọ Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 02/2018 đến 02/2021 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Cơ điện tử vii Cảm biến đo vị trí Biến trở Driver điều khiển vị trí Piezo (vịng hở) u(V) 0÷76 Cơ cu chp hnh ỏp in Piezo y1(àm) 0ữ50 B chuyn đổi Màn hình hiển thị chuyển đổi Cơ cấu đàn hồi Hình 5.5: Sơ đồ khối thí nghiệm khảo sát chuyển vị piezo kết nối cấu mềm Hình 5.6: Biểu đồ khảo sát đáp ứng vị trí cấu chấp hành áp điện piezo nối với cấu mềm Biều đồ Hình 4.6 cho thấy, đặc tính Hysteresis cấu chấp hành Piezo tồn gắn vào cấu đàn hồi/mềm đáp ứng chuyển vị đường khác so với khơng có tải, chuyển vị lớn điện áp 75V cung cấp 48.1um nhỏ so với chạy không tải 48 5.3 Khảo sát chuyển vị bàn dao Hình 5.7: Thí nghiệm khảo sát chuyển vị bàn dao Biến trở Driver iu khin v trớ Piezo (vũng h) y2(àm) 0ữ138 u(V) 0÷75 Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo Cơ cấu đàn hồi Cảm biến đo vị trí Bộ chuyển đổi Màn hình hiển thị chuyển đổi Hình 5.8: Sơ đồ khối thí nghiệm khảo sát chuyển vị bàn dao Trong thí nghiệm này, đầu dị cảm biến bố trí vị trí bàn dao ta áp dụng điều khiển vịng kín, mục đích thí nghiệm xác định đặc tuyến chuyển vị bàn dao chuyển vị lớn 49 Cách thực giống thí nghiệm trên, chỉnh biến trở tăng lần đơn vị từ 0-75V giảm lần đơn vị từ 75-0V, đồng thời ghi chép lại thông số chuyển vị tương ứng hiển thị hình chuyển đổi Hình 5.9: Biểu đồ đáp ứng vịng hở chuyển vị bàn dao 50 Hình 5.10: Biểu đồ mối quan hệ tuyến tính chuyển vị ngõ vào chuyển vị ngõ cấu chấp hành áp điện Piezo Hình 4.9 cho thấy chuyển động bàn dao lấy nguồn chuyển vị từ cấu chấp hành Piezo cho đặc tuyến trễ phi tuyến theo thời gian Đáp ứng chuyển vị lớn bàn dao 138um Hình 4.10 đáp ứng chuyển vị ngõ vào ngõ cấu mềm tuyến tính với Hệ số tuyến tính K≈2.8 Điều cho thấy tượng trễ phi tuyến đồ thị Hình 4.9 chuyển động cáu chấp hành piezo tạo 51 5.4 Điều khiển mơ hình bàn dao thuật tốn PID 5.4.1 Mơ hình điều khiển thu tập liệu Hyper Terminal Giao tiếp UART Setpoint 0-140(um) STM32F407DISCOVERY Bộ PID số DAC Driver điều khiển `cấu chấp hành piezo ` Bàn dao ADC Cảm biến vị trí Hình 5.11: Sơ đồ khối mơ hình điều khiển vịng kín dùng thuật tốn PID Cách thực thí nghiệm sau:  Lập trình chương trình điều khiển thu thập liệu Matlab Simulink sử dụng thư viện Waijung Blockset (Hình 4.12), nhúng chương trình vào mạch STM32F407DISCOVERY [23], [24] 52 Hình 5.12: Chương trình Matlab simulink nhúng vào mạch STM32F4 Discovery  Sử dụng phần mềm Hyper Terminal [27] máy tính để nhận liệu chuyển vị mạch STM32F407DISSCOVERY gửi lưu vào tập tin  Vẽ biểu đồ đáp ứng chuyển vị theo thời gian từ tập tin gửi 53 5.4.2 Thực nghiệm điều khiển PID từ thuật toán GA Giá trị mong muốn Thực nghiệm mơ hình Chuyển vị (µm) x=0.54 Thời gian (giây) Hình 5.13: Đáp ứng chuyển vị mơ hình bàn dao với điều khiển PID tối ưu thuật toán GA Bộ điều khiển PID KP=0.4976; KI=23.6455; KD=1.8018 thuật toán GA tối ưu áp dụng lên chương trình điều khiển cấu chấp hành Piezo chạy Board STM32F407 Discovery Đáp ứng điều khiển tối ưu GA mô hình thực nghiệm thể hình 5.13 khơng có vọt lố, thời gian lên ngắn 0.04 giây, thời gian xác lập nhỏ khoảng 0.54 giây, sai số xác lập không đáp kể So sánh đáp ứng PID tối ưu áp dụng mơ hình tốn mơ hình thực nghiệm thể hình 5.14, thấy đáp ứng chuyển vị đối tượng mô hình tốn mơ hình thực nghiệm tương đối giống cho chất lượng điều khiển tốt 54 Chuyển vị (µm) Giá trị mong muốn Thực nghiệm mơ hình Mơ hình tốn Thời gian (giây) Hình 5.14: Biểu đồ đáp ứng chuyển vị bàn dao mơ hình thực nghiệm mơ hình tốn với điều khiển PID tối ứu hóa GA Bộ điều khiển PID tối ưu hóa GA cho đáp ứng chuyển vị bàn dao mơ hình thực nghiệm đạt u cầu chuyển vị độ phân giải micron áp dụng lên mô hình thật Theo biểu đồ 5.14 đường đáp ứng thực nghiệm đường đáp ứng mơ hình thuật tốn khơng trùng giao đoạn đầu từ 0-0.7s mơ hình thuật tốn tác giả khơng đưa khâu trễ phi tuyến vào mơ hình tốn hệ thống mơ hình tốn khâu trễ khó khăn Như thuật toán GA giúp ta hiệu chỉnh lại điều khiển PID tìm từ phương pháp Ziegler Nichol thỏa mãn hàm mục tiêu Bộ điều khiển PID kết hợp thông số KP, KI, KD số dạng thập phân, nên không gian tìm kiếm lớn, khơng có thuật tốn GA việc tìm điều khiển PID tối ưu nhiều công sức thời gian 55 Chương 6: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU  Kết đây:  Xây dựng mơ hình bàn dao phụ máy tiện dùng để thực nghiệm điều khiển  Khảo sát đặc tính chuyển vị cấu áp điện piezo, mơ hình bàn dao phụ  Thiết kế điều khiển PID tối ưu giải thuật GA để điều khiển đối tượng mơ hình bàn dao phụ máy tiện  Điều khiển mơ hình thực nghiệm bàn dao chuyển vị cỡ micron với đáp ứng tốt sử dụng thuật toán PID tối ưu từ GA  Những điểm hạn chế cần khắc phục đề tài:  Sử dụng cảm biến có tần số hoạt động cao cỡ 10kHz  Các mạch chuyển đổi, khuếch đại tín hiệu, ADC, DAC sử dụng thiết bị chuyên dùng để hạn chế sai số  Hướng nghiên cứu:  Tìm điều khiển PID phương pháp khác PSO, Fuzzy logic, công cụ PID turning phần mềm Matlab,…  Thực nghiệm điều khiển PID với tải thay đổi theo thời gian với tần số cao  Lắp mơ hình bàn dao phụ lên máy tiện, thực nghiệm việc cắt gọt kim loại, kiểm tra dung sai kích thước, độ nhám bề mặt để đánh giá chất lượng điều khiển 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Eddy Piezoelectric tool actuator for presicion turning, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bristish Columbia, 1999 [2] A S Woronko Development of a piezoelectric tool actuator, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Waterloo, 2001 [3] M Byung-Guk Jun Precision turning of shafts with piezoelectric actuator tool, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bristish Columbia, 2000 [4] J.A.Dzoleko Dongmo Control of an experimental piezoelectric actuators system, Luận văn Thạc sĩ, Đại học kỹ thuật Eindhoven, 2010 [5] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2005 [6] Huỳnh Thái Hồng Bài giảng Điều khiển thông minh, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, Chương 2, 2010 [7] Nguyễn Văn Khiển, Ngơ Nam Phương, Phạm Huy Hồng, Phạm Huy Tn Thiết kế tối mô cấu đàn hồi dùng làm khuếch đại cấu vi chuyển động, in Hội nghị KH&CN tồn quốc Cơ khí động lực, ĐH Bách Khoa-Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2017 [8] Nguyễn Chí Ngơn Tối ưu hóa điều khiển PID giải thuật di truyền, Tạp chí khoa học, Sơ 9, tr 214-248, 2008 [9] Dongpo Zhao, Zihui Zhu, Peng Huang, Ping Guo, LiMin Zhu, Zhiwei Zhu Development of a piezoelectrically actuated dual-stage fast tool servo, Mechanical Systems and Signal Processing, số 144, 2020 [10] Li Sui, Xin Xiong Gengchen Shi Piezoelectric Actuator Design and Application on Active Vibration Control, Physics Procedia, số 25, tr 1388-1396, 2012 57 [11] Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân Cơ cấu đàn hồi hướng ứng dụng, Hội nghị Khoa học- Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí (lần thứ 4) Tr.778-786 [12] Đặng Hồng Chương, Nghiên cứu ứng dụng Piezo Actuator Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2016 [13] Marwan Nafea Minjal Modeling and Control of Piezoelectric Stack Actuators with Hysteresis, Luận văn thạc sĩ, Đại học UniversitiTeknologi Malaysia, 2013 [14] Phạm Huy Hoàng, Trần Văn Thùy Thiết kế hình dạng mơ hoạt động cấu dẫn động với độ phân giải Micron, Tạp chí khoa học công nghệ, tập 11, số 03, 2008 [15] Nguyen Ngoc Son, Tran Minh Chinh & Ho Pham Huy Anh Uncertain nonlinear system identification using Jaya-based adaptive neural network, Soft Computing, số 24, tr 17123–17132, 2020 [16] Zsurzsan cộng Preisach model of hysteresis for the Piezoelectric Actuator Drive, Proceedings of the 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2015 [17] Shunli Xiao, Yangmin Li Dynamic compensation and H∞ control for piezoelectric actuator based on the inverse Bouc–Wen model, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, số 30, tr 47–54, 2014 [18] Kenta Seki, Michael Ruderman, Makoto Iwasaki Modeling and compensation for hysteresis properties in piezoelectric actuator, 2014 IEEE 13th International Workshop on Advanced Motion Control (AMC), 2014 [19] Brian Jeffrey Kenton Design, Characterization, and Control of a High-Bandwidth Serial-Kinematic Nanopositioning Stage for 58 Scanning Probe Microscopy Applications, Luận văn thạc sĩ, University of Nevada, Reno, 2014 [20] Baek-Ju Sung, Eun-Woong Lee, In-Su Kim Displacement Control of Piezoelectric Actuator using the PID Controller and System Identification Method, 2008 Joint International Conference on Power System Technology and IEEE Power India Conference, 2008 [21] Changhai Ru cộng A hysteresis compensation method of piezoelectric actuator: Model, identification and control, Control Engineering Practice, số 17, tr 1107-1114, 2009 [22] Sunan Huang, Kok Kiong Tan, Tong Heng Lee Adaptive Sliding-Mode Control of Piezoelectric Actuators, IEEE Transactions on Industrial Electronics, số 56, 2009 [23] Waijung Blockset Internet: https://waijung1.aimagin.com/, 12/11/2020 [24] Hướng dẫn cài đặt lập trình để nhúng Matlab cho STM32F4 -tập Internet: https://www.youtube.com/watch?v=de74Z51IOMA&ab_channel=nguyen vandonghai,12/11/2020 [25] HyperTerminal Trial Internet: https://www.hilgraeve.com/hyperterminal-trial/, 12/11/2020 [26] John H Holland, Adaptation in Natural and Artificial Systems: An Introductory Analysis with Applications to Biology, Control, and Artificial Intelligence, nhà xuất MIT Press, Cambridge, Hoa Kỳ, 1992 [27] Karam M Elbayomy, Jiao Zongxia, Zhang Huaqing, PID Controller Optimization by GA and I,ts Performances on the Electro-hydraulic 59 Servo Control System, Chinese Journal of Aeronautics, số 21, Tr 378384, 2008 60 PHỤ LỤC 61 S K L 0 ... Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Cơ điện tử vii Tên luận văn: NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KẾT HỢP VỚI THUẬT TOÁN NSGA- II ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG THẲNGVỚI ĐỘ PHÂN GIẢI MICRON Ngày & nơi bảo... PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ MINH CHÍNH NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KẾT HỢP VỚI THUẬT TOÁN NSGA- II ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG THẲNG VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI MICRON NGÀNH:... dẫn động cấu chấp hành áp điện Piezo truyền động qua cấu đàn hồi để tạo chuyển động với độ phân giải cỡ 10-3mm Cơ cấu đàn hồi với ưu điểm tạo chuyển động có độ xác cao, chịu tải lớn, bị rung động