Luận văn thạc sĩ kĩ thuật thiết kế bộ điều khiển pid thích nghi nhờ suy luận mờ và ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở

BỘHỌC TƯ LỆNH QUÂN KHU I ĐẠI THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG CAO DẲNG NGHỀ SỐ - BQP NGUYỄN THỊ KIỀU TRANG BÀI GIẢNG Mơ đun: Vi Mạch Số Lập Trình THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ SUY LUẬN MỜ VÀ ỨNG ĐIỆN DỤNGTỬ CHO HỆ TRUYỀN NGHỀ: CÔNG NGHIỆP ĐỘNG CĨ KHE TRÌNH ĐỘ: HỞ CAO ĐẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Năm 2014 THÁI NGUYÊN 2019 i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ KIỀU TRANG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ SUY LUẬN MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ THỊ THU HÀ PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2019 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Thị Kiều Trang sinh ngày 13 tháng 11 năm 1991, học viên cao học lớp CK-K20 trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Tôi xin cam đoan đề tài "Thiết kế điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở" kết nghiên cứu riêng hướng dẫn TS Lê Thị Thu Hà Các nguồn tài liệu tham khảo liên quan trích xuất rõ ràng Nếu có điều không với lời cam đoan xin chịu theo quy chế hành Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Kiều Trang iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nỗ lực thực luận văn đến luận văn em hoàn thành Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo hướng dẫn TS Lê Thị Thu Hà định hướng hướng dẫn tận tình giúp em hồn thành luận văn theo tiến độ đề Ngoài em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên cung cấp cho em kiến thức quý báu Em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp bên động viên em thực đề tài Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Kiều Trang iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài 2 Mục đích đề tài .2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học 4.2 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ .4 1.1 Đặc điểm chung hệ truyền động 1.1.1 Đặc điểm hệ truyền động .4 1.1.2 Các yêu cầu nâng cao chất lượng hệ truyền động 1.2 Tổng quan phương pháp điều khiển cho hệ truyền động có khe hở 1.2.1 Phương pháp điều khiển coi hệ truyền động có khe hở khâu backlash 1.2.2 Một số phương pháp điều khiển hệ truyền động có khe hở sử dụng mơ hình tốn tổng qt đối tượng 12 1.3 Tổng quan điều khiển 13 1.3.1 Bộ điều khiển PID .13 1.3.1.1 Phương pháp Ziegler-Nichols .14 1.3.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 15 1.3.1.3 Phương pháp tổng T Kuhn 17 1.3.1.4 Phương pháp tối ưu độ lớn 18 1.3.1.5 Phương pháp tối ưu đối xứng .21 1.3.2 Điều khiển mờ [11] .24 1.3.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh .24 1.3.2.2 Bộ điều khiển mờ động .24 1.3.3 Điều khiển thích nghi [12] [29] 24 1.3.4 Hệ mờ lai hệ mờ thích nghi [3] 25 1.3.4.1 Hệ mờ lai 25 1.3.4.2 Bộ điều khiển mờ thích nghi 26 v 1.3.4.3 Chỉnh định thích nghi PID nhờ suy luận logic mờ 29 1.4 Kết luận 34 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 35 2.1 Hệ truyền động qua bánh [6] 37 2.1.1 Giới thiệu chung .37 2.1.2 Một số yêu cầu khí hệ truyền động bánh 39 2.1.3 Biện pháp học làm giảm sai số gia công bánh 40 2.2 2.2.1 Xây dựng mơ hình tốn tổng qt .42 Cấu trúc vật lý định luật cân .44 2.2.2 Mơ hình tốn chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ đàn hồi moment ma sát 46 2.2.3 Mơ hình tốn chế độ khe hở (dead zone) 48 2.2.4 Mơ hình tổng qt 50 2.3 Mô tả hệ chế độ xác lập 50 2.3.1 Mơ hình tốn chế độ xác lập .50 2.3.2 Mô MatLab 51 2.4 Kết luận 53 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ 54 SUY LUẬN MỜ .54 3.1 Mơ hình xấp xỉ tuyến tính khơng liên tục hệ truyền động bánh .54 3.2 Xác định thông số điều khiển PID theo lý thuyết kinh điển 56 3.2.1 Xác định theo phương pháp Zigeler- Nichols 56 3.2.2 3.3 Phương pháp tổng T Kuhn .58 Xác định tham số theo điều khiển mờ lai 59 3.3.1 Theo phương pháp Zhao-Tomizuka-Isaka 59 3.3.1.1 Giới thiệu phương pháp 59 3.3.1.2 Nội dung phương pháp ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở 61 3.3.1.1 Kết mô Matlab 63 3.3.2 Theo phương pháp Mallesham- Rajani 67 3.3.2.1 Giới thiệu phương pháp 67 3.3.2.2 Nội dung phương pháp 68 3.3.2.3 Kết mô Matlab 69 3.4 So sánh phương pháp điều khiển 72 3.5 Kết luận 73 vi Kết luận chung .74 Kiến nghị 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT - PID chữ viết tắt ba thành phần có điều khiển gồm: Khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I), khâu vi phân (D) - MIMO: Multiple In Multiple Out - MBC: Model Based Controller viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Bù khe hở mơ hình ngược Hình 1.2 Điều khiển bù khe hở mơ hình ngược điều khiển PI Hình 1.3 Điều khiển bù khe hở mạng neural Hình 1.4 Nâng cao chất lượng bù khe hở nhờ mạng neural chỉnh định thích nghi Hình 1.5 Nâng cao chất lượng bù khe hở nhờ mạng neural phản hồi trạng thái Hình 1.6 Bù khe hở moment ma sát moment xoắn phản hồi trạng thái Hình 1.7 Điều khiển bù khe hở ma sát Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển PID Hình 1.9 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ đối tượng Hình 1.10 Xác định số khuếch đại tới hạn Hình 1.11 Hàm q độ đối tượng thích hợp cho phương pháp Chien-HronesReswick Hình 1.12 Quan hệ diện tích tổng số thời gian Hình 1.13 Dải tần số mà có biên độ hàm đặc tính tần rộng tốt Hình 1.14 Điều khiển khâu qn tính bậc Hình 1.15 Minh họa thiết kế điều khiển PID tối ưu đối xứng Hình 1.16 Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ Hình 1.17 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade Hình 1.18 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp Hình 1.19 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp Hình 1.20 Điều khiển thích nghi có mơ hình theo dõi Hình 1.21 Cấu trúc hệ PID thích nghi suy luận logic mờ Hình 1.22 Giải thích khái niệm giá trị ngơn ngữ (tập mờ) Hình 1.23 Minh họa nguyên lý làm việc động suy diễn max-min sum-min Hình 1.24 Minh họa nguyên tắc giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm Hình 2.1 Bộ truyền động đai Hình 2.2 a) Cơ cấu truyền động xích; b) Cơ cấu truyền động bánh Hình 2.3 Sơ đồ máy cán Hình 2.4 Bố trí chi tiết hộp giảm tốc Hình 2.5 Một số dạng hệ truyền động qua bánh Hình 2.6 Hệ nhiều cặp bánh hệ truyền ngược nhiều hệmột cặp bánh Hình 2.7 Cấu trúc vật lý hệ truyền động qua cặp bánh Hình 2.8 Minh họa định luật cân cặp bánh Hình 2.9 Sơ đồ động lực học Hình 2.10 Thiết lập phương trình động lực học hai bánh ăn khớp ix 14 15 16 17 18 18 20 21 22 23 24 26 27 28 31 33 34 35 35 37 38 39 41 42 44 44 45 45 46 51 53 54 54 55 Hình 2.11 Mô tả trạng thái hai bánh vùng chết khe hở Hình 2.12 Sơ đồ khối mơ tả hệ truyền động qua bánh với mơ hình Hình 2.13 Ảnh hưởng thành phần độ xoắn, ma sát, hiệu ứng khe hở tới chất lượng truyền động Hình 3.1 Sơ đồ mơ hàm q độ đối tượng Hình 3.2 Hàm độ đối tượng có điều chỉnh PID Hình 3.3 Đáp ứng hệ kích thích hình sin Hình 3.4 Hàm q độ đối tượng có điều chỉnh PID Hình 3.5 Đáp ứng hệ kích thích hình sin Hình 3.6 Chỉnh định mờ PID Hình 3.7 Mờ hóa biến ngơn ngữ vào – Zhao-Tomizuka-Isaka Hình 3.8 Mờ hóa chỉnh định mờ Hình 3.9 Sơ đồ mơ hệ thống với kích thích hàm bước nhảy Hình 3.10 Bộ điều khiển mờ PID Hình 3.11 Kết đáp ứng đầu Hình 3.12 Hệ số alpha sau mờ Hình 3.13 Hệ số Kd sau mờ Hình 3.14 Hệ số Kp sau mờ Hình 3.15 Hệ số Ki đưa vào điều khiển PID Hình 3.16 Hệ số Kd đưa vào điều khiển PID Hình 3.17 Hệ số Kp đưa vào điều khiển PID Hình 3.18 Các thơng số Kp, Kd, Ki điều khiển PID Hình 3.19 Mã hóa chỉnh định mờ cho PID Hình 3.20 Mờ hóa chỉnh định mờ Hình 3.21 Sơ đồ mơ hệ thống với kích thích hàm bước nhảy Hình 3.22 Bộ điều khiển mờ PID Hình 3.23 Đáp ứng đầu với kích thích đầu vào hàm bước nhảy Hình 3.24 Các thông số Kp, Kd, Ki đầu điều khiển mờ Hình 3.25 Các thơng số Kp, Kd, Ki điều khiển PID Hình 3.26 Đáp ứng đầu với kích thích đầu vào hàm hình sin x 57 60 60 64 65 65 66 67 68 68 69 70 71 71 72 72 73 73 73 74 74 75 76 77 77 78 78 79 79 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ SUY LUẬN MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Học viên: Nguyễn Thị Kiều Trang Lớp: CH – K20 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Cán hướng dẫn khoa học: TS Lê Thị Thu Hà PHÒNG ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS Lê Thị Thu Hà Nguyễn Thị Kiều Trang xi LỜI NÓI ĐẦU Trong thực tế, nhiều giải pháp tổng hợp, thiết kế điều khiển kinh điển thường bế tắc gặp tốn có độ phức tạp hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, thường xuyên thay đổi trạng thái cấu trúc đối tượng Những khó khăn khơng cịn vấn đề nan giải điều khiển thiết kế dựa sở logic mờ So với giải pháp kỹ thuật khác phương pháp tổng hợp hệ thống logic mờ có ưu điểm rõ rệt khối lượng công việc thiết kế giảm đi, dễ hiểu hơn, nhiều trường hợp điều khiển mờ làm việc ổn định, bền vững chất lượng điều khiển cao Xuất phát từ thực tế nên tơi đề xuất đề tài nghiên cứu theo hướng cải thiện chất lượng điều khiển PID cho toán bám bền vững giá trị đặt hệ truyền động, cụ thể hệ truyền động có khe hở Với cách đặt vấn đề nên đề tài luận văn chọn là: ”Thiết kế điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở ” Nội dung luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan phương pháp điều khiển hệ truyền động có khe hở Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn hệ thống truyền động có khe hở Chương 3: Thiết kế điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ Kết luận kiến nghị Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Kiều Trang MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cơ cấu chấp hành bao gồm động thiết bị khí chuyển đổi hướng chuyển động nó, gọi chung lại thành hệ truyền động, đối tượng sử dụng hầu hết dây chuyền công nghệ sản xuất, chế tạo Hơn phần lớn điều khiển hệ truyền động có dựa PID (97%) Bởi cần cải tiến nhỏ nâng cao chất lượng PID để điều khiển hệ truyền động mang lại hiệu cao kinh tế chất lượng sản phẩm tồn cơng nghiệp sản xuất, nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm Có nhiều giải pháp tổng hợp, thiết kế điều khiển kinh điển thường bế tắc gặp tốn có độ phức tạp hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, thường xuyên thay đổi trạng thái cấu trúc đối tượng Những khó khăn khơng cịn vấn đề nan giải điều khiển thiết kế dựa sở logic mờ Các điều khiển mờ có đặc điểm làm việc theo nguyên tắc chép lại kinh nghiệm, tri thức người điều khiển, vận hành máy móc So với giải pháp kỹ thuật khác phương pháp tổng hợp hệ thống logic mờ có ưu điểm rõ rệt khối lượng công việc thiết kế giảm đi, dễ hiểu hơn, nhiều trường hợp điều khiển mờ làm việc ổn định, bền vững chất lượng điều khiển cao Xuất phát từ tình hình thực tế với mong muốn góp phần vào phát triển cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước nói chung ngành Tự động hóa nói riêng, khóa học cao học trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, định hướng cô giáo TS Lê Thị Thu Hà giúp đỡ nhà trường, phòng đào tạo Sau đại học, em lựa chọn đề tài “Thiết kế điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở” Trong trình thực đề tài, thân em nỗ lực trình độ thời gian có hạn nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy Hội đồng Khoa học bạn đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện Mục đích đề tài Sử dụng điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ để xử lý tín hiệu điều khiển phù hợp dựa hàm tối ưu hóa để cho sai lệch lượng đặt đầu vào đáp ứng đầu có sai lệch nhỏ đồng thời có chất lượng động tốt Đối tượng phạm vi nghiên cứu Dựa việc lựa chọn đề tài em chọn đối tượng nghiên cứu sử dụng số thành lý thuyết điều khiển điều khiển thích nghi điếu khiển mờ vào điều khiển PID để điều khiển bám giá trị đặt với chất lượng cao cho hệ truyền động có khe hở mà cịn có thêm điều kiện ràng buộc bắt buộc lượng cung cấp, miền làm việc hệ bao gồm ràng buộc trạng thái (nhiệt độ làm việc thiết bị, tốc độ chuyển đối lượng ) ràng buộc tín hiệu hệ (moment, tốc độ chuyển động, lực tương tác hệ truyền động với môi trường xung quanh ) Từ phân tích cho thấy việc thực đề tài “Thiết kế điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở ” hồn tồn phù hợp với hướng nghiên cứu điều khiển tự động Việc thực đề tài có cách thức để chỉnh định ba tham số điều khiển PID mang đến chất lượng điều khiển hệ thống đảm bảo Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học Các hệ thống tự động chủ yếu hệ truyền động Hiện có nhiều cải tiến áp dụng phương pháp điều khiển chủ yếu điều khiển kinh điển Nên việc nghiên cứu đề tài hứa hẹn áp dụng phương pháp điều khiển giúp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài đưa phương án ứng dụng kỹ thuật điều khiển giúp giảm sai số, nâng cao chất lượng điều khiển, dễ dàng thiết kế hiệu chỉnh hệ thống CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1 Đặc điểm chung hệ truyền động 1.1.1 Đặc điểm hệ truyền động Theo Meriam-Webster hệ truyền động hiểu tập hợp cấu ghép nối khí phục vụ biến đổi tốc độ, moment Hệ truyền động tồn hệ biến đổi truyền tải lượng Nhiệm vụ toán điều khiển hệ truyền động phải xác định quy luật thay đổi moment dẫn động tạo từ động dẫn động để hệ có tốc độ góc tải đầu ln bám ổn định theo quỹ đạo đặt trước điều phải không phụ thuộc vào tác động không mong muốn vào hệ Để thực toán điều khiển trên, ta cần phải xây dựng mơ hình tốn mơ tả tính chất động lực học hệ truyền động với đầy đủ yếu tố kết cấu khí, vật liệu Từ mơ hình tốn cụ thể lớp hệ truyền động mà người ta phân tích được, lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp tổng hợp điều khiển cho hệ truyền động Song, nhìn nhận cách tổng qt tốn điều khiển hệ truyền động có đặc điểm chung sau:  Thứ nhất, hệ truyền động hệ phi tuyến, không tự sinh lượng (hệ thụ động) Nó ln mơ tả mơ hình Euler-Lagrange  Hệ ln chứa thành phần khó xác định cách xác mơ hình Điển hình thành phần moment ma sát trục truyền động, moment tải, độ không cứng vững tuyệt đối vật liệu làm trục truyền động bánh khơng xác chế tạo khí mài mịn vật liệu tạo khe hở khớp truyền động nối với Nhìn chung, nhiệm vụ điều khiển bám ổn định vận tốc hay quỹ đạo góc cấu chấp hành hệ truyền động máy tổ hợp nói chung tốn động lực học phức tạp Nó phụ thuộc nhiều yếu tố như: Nguồn lượng dẫn động, lực moment cản, moment ma sát, bôi trơn, khe hở, độ đàn hồi khâu độ cứng vững toàn hệ thống yếu tố môi trường Đặc biệt máy tổ hợp sau thời gian làm việc yếu tố tác động kể yếu tố ngẫu nhiên, khó lường trước thay đổi theo thời gian dẫn tới ổn định động lực học Mất ổn định động lực học trạng thái nguy hiểm xẩy tần số lực kích động có giá trị xấp xỉ với tần số dao động riêng hệ Khi q trình gia cơng bị rơi vào trạng thái ổn định biên độ dao động hệ lớn, làm cho hệ thống rung động mạnh, gây ồn giảm độ xác chất lượng sản phẩm Vì điều khiển bám ổn định tốc độ cấu chấp hành nhiệm vụ hàng đầu đặt cho nhà tích hợp hệ thống điều khiển hệ truyền động nói chung hệ truyền động qua bánh nói riêng 1.1.2 Các yêu cầu nâng cao chất lượng hệ truyền động Trong toán điều khiển hệ truyền động, bên cạnh việc có khả bám ổn định theo quỹ đạo góc quay đặt trước, người ta cịn phải quan tâm tới vấn đề nâng cao chất lượng hệ thống, bao gồm: Việc ổn định tốc độ cấu chấp hành Giảm thiểu tối đa dao động sinh từ độ xoắn trục truyền moment Giảm thiểu tối đa ảnh hưởng xung moment trục truyền động trình độ, ảnh hưởng tiếng ồn, va đập sinh từ khe hở trục truyền động Chất lượng bám ổn định tốc độ góc quay hệ theo quỹ đạo mong muốn đặt trước không bị ảnh hưởng moment ma sát, moment cản hệ Những yêu cầu nâng cao chất lượng kể vấn đề cấp thiết thực tế ứng dụng liên quan tới tuổi bền máy, độ tin cậy xác dụng cụ đảm bảo mơi trường làm việc cho người lao động, tiếng ồn rung động gây Từ trước đến có nhiều cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm nhằm giải thích nguyên nhân, chất tượng ổn định động lực học đưa giải pháp kỹ thuật để tìm cách khống chế loại trừ Chẳng hạn biện pháp khí phổ thơng dùng lắp thêm bánh đà, nâng cao độ xác chế tạo chi tiết, điều chỉnh lắp ráp theo quy trình nghiêm ngặt, chấp hành chế độ bảo trì Các giải pháp học nêu thích hợp với chế độ làm việc xác lập hệ thống hệ thống có tính động học biến đổi chậm giải phần mang tính chất định kỳ Trường hợp chung, yếu tố ngẫu nhiên xảy bất thường tác động lên hệ thống, biện pháp khí nêu khơng thể khắc phục Với toán nâng cao chất lượng hệ thống chế độ làm việc độ có tính động học nhanh, giả thiết khơng thể đo xác moment ma sát, moment cản, độ xoắn trục truyền động khe hở bánh răng, người ta phải sử dụng kèm thêm giải pháp khí điều khiển điện, điện tử nhằm dễ dàng cài đặt phương pháp điều khiển chỉnh định thích nghi bền vững làm việc theo chế phản hồi 1.2 Tổng quan phương pháp điều khiển cho hệ truyền động có khe hở Trên giới nước, lĩnh vực điều khiển truyền động quan tâm nghiên cứu nhiều Cụ thể với hệ truyền động có khe hở ta khơng thể tuyến tính hóa khe hở bắt buộc phải áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Xác định khe hở điều khiển loại bỏ ảnh hưởng khe hở tới chất lượng truyền động toán thường gặp toán điều khiển hệ truyền động có khe hở 1.2.1 Phương pháp điều khiển coi hệ truyền động có khe hở khâu backlash Khe hở có mơ hình tốn sau [27]: mu u    m(u  a )    B( , u, u )   u    m(u  a) 0  (1.1) Tuy nhiên ứng dụng khó khăn thường nằm việc xác định xác tham số m a tính phi tuyến đa trị hàm (1.1) để tạo tín hiệu bù khe hở Hình 1.1 Bù khe hở mơ hình ngược Trong trường hợp mơ hình (1.1) xác theo [24] ta điều khiển loại bỏ khe hở hàm ngược: u  B 1 (u, u , u ) (1.2) với sơ đồ điều khiển hở cho hình 1.1, để hệ có quan hệ vào dạng lý tưởng tuyệt đối:  u (1.3) Hệ truyền động có khe hở x e Bộ điều khiển PI u u  Hệ truyền động lý tưởng y kp , T I Hình 1.2 Điều khiển bù khe hở mơ hình ngược điều khiển PI Hình 1.2 mơ tả nguyên tắc điều khiển bù khe hở mô hình ngược Tất nhiên nguyên tắc điều khiển có nghĩa ta xác định xác mơ hình ngược (1.2) khe hở mơ hình truyền động ln tách hai thành phần riêng biệt khe hở phần mơ hình lý tưởng tuyến tính cịn lại mắc nối tiếp Điều khiển thích nghi bù khe hở mạng neural hệ mờ: Vấn đề tồn phương pháp điều khiển hở ta lại khơng có mơ hình (1.1) tuyệt đối xác cho khe hở Như cần sai lệch nhỏ mơ hình (1.1) dẫn tới sai số lớn phép tính nghịch đảo (1.2) Hơn phép tính nghịch đảo (1.2) hàm khơng tồn ánh (1.1) lại khơng tường minh, tức từ hàm (1.1) ta có nhiều, chí vơ số mơ hình nghịch đảo (1.2) Điều khó khăn gây khơng khó khăn cho người thiết kế, chưa có cơng trình nghiên cứu đủ tổng qt việc đánh giá chất lượng hệ thống theo hàm ngược Bởi nói kỹ thuật điều khiển hàm ngược không khả thi thực tế Trên sở suy luận vậy, nhiều công trình cơng bố cho việc thay hàm ngược (1.2) việc xấp xỉ nhờ hệ mờ hay mạng neural mơ tả hình 1.3 Có thể liệt kê số cơng trình [10, 20, 21, 27, 28] Hệ truyền động có khe hở Bộ điều khiển PI Hệ truyền động lý tưởng Hình 1.3 Điều khiển bù khe hở mạng neural Mặc dù phương pháp điều khiển bù xấp xỉ có mặt hạn chế Đó là: Việc xấp xỉ hàm phi tuyến nhờ mạng neural hay hệ mờ có kết xấp xỉ với sai lệch nhỏ tùy ý miền giới hạn cho phép, hàm phi tuyến cần xấp xỉ liên tục Giả thiết ta dễ dàng thấy khơng thỏa mãn mơ hình khe hở (1.1) Bởi phương pháp điều khiển bù khe hở việc xấp xỉ mơ hình ngược thơng qua mạng neural hay hệ mờ áp dụng hệ có khe hở đủ nhỏ (hằng số a nhỏ) Việc bù mạng neural hình 1.3 thực có ý nghĩa tín hiệu  bên hệ truyền động có khe hở đo Điều gần khơng thể Do người ta phải chuyển sang xác định  từ tín hiệu đo khác (quan sát) Điều dẫn đến giá trị quan sát  có sai số so với giá trị thực  , kéo theo nguy nghịch đảo sai số mơ hình mạng neural lớn Khắc phục nhược điểm việc bù thành phần nghịch đảo (1.2) hàm phi tuyến không liên tục, không tường minh (1.1), xu hướng nhận dạng online tham số mơ hình khe hở (1.1) hình thành Kết báo [29] ví dụ Tuy nhiên kết dừng lại mức chưa trọn vẹn với nhiều vấn đề lý thuyết tính hội tụ thuật tốn cịn dang dở Kết mơ [29] mà khơng cần sử dụng tới phần chứng minh cịn thiếu tính hội tụ thuật tốn, chấp nhận được, song chưa nói lên khả ứng dụng điều khiển bù khe hở với hệ phi tuyến, dừng lại cho hệ truyền động có mơ hình tuyến tính tham số dạng hàm truyền Bộ chỉnh định tham số G( z ) Hệ truyền động có khe hở Hình 1.4 Nâng cao chất lượng bù khe hở nhờ mạng neural chỉnh định thích nghi Như nói so với việc bù mơ hình ngược, việc bù mạng neural khơng thể bù hồn tồn hết hiệu ứng khe hở Do đó, giảm bớt nhiều, song hệ tồn thành phần dư thừa nhỏ khe hở Thành phần lại biến đổi liên tục hàm liên tục yNN  b(u, u , u )  B 1 (u, u , u ) tạo mạng neural để bù khe hở không cố định Bởi để nâng cao chất lượng bù khe hở mạng neural xấp xỉ giống chất lượng bù mơ hình ngược, người ta đưa thêm vào thành phần chỉnh định thích nghi tham số PI mơ tả hình 1.4 Điều khiển hệ truyền động có khe hở, ma sát độ đàn hồi: Theo [18, 25] phần lớn hệ truyền động có khe hở ln tách thành hai khâu phi tuyến mắc nối tiếp gồm khâu mô tả khe hở đứng trước khâu phi tuyến dạng affine truyền ngược chặt x  f (x , ) đứng phía sau (hình 1.3), tức khâu phi tuyến truyền ngược chặt biến đổi dạng:  xk  xk 1  k  n    xn  f (x )  d (x , t )  g (x ) với x   x1 , , xn  vector biến trạng thái T f (x ), g (x ) d (x , t ) (1.4) hàm mô tả hệ thống hàm bất định đại diện cho thành phần khơng xác định mơ hình Hệ truyền động có khe hở Bộ điều khiển phản hồi trạng thái Hệ truyền động lý tưởng ... đặt hệ truyền động, cụ thể hệ truyền động có khe hở Với cách đặt vấn đề nên đề tài luận văn chọn là: ? ?Thiết kế điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở ”... KÝ THUẬT CÔNG NGHI? ??P NGUYỄN THỊ KIỀU TRANG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ SUY LUẬN MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC... phương pháp điều khiển cho hệ truyền động có khe hở 1.2.1 Phương pháp điều khiển coi hệ truyền động có khe hở khâu backlash 1.2.2 Một số phương pháp điều khiển hệ truyền động có khe hở sử dụng mơ