Luận văn Thạc sỹ - Đề tài Nghiên cứu hệ thống có trễ (Two - Degree - of - freedom - control) và sự kết hợp Two - Degree - of - freedom - control và STR

Hệ thống có trễ thường xuất hiện trong các lĩnh vực kỹ thuật như mạng lưới truyền thông, quy trình trao đổi chất hay hệ thống điều khiển từ xa, … Tính trễ là một thuộc tính của các hệ thống vật lý, thể hiện ở việc đáp ứng của hệ thống chậm hơn so với những tác động đặt lên nó. Hệ thống có thể có nhiều dạng trễ khác nhau, đó có thể là trễ ở ngõ vào, trễ ở ngõ ra hay trễ ở các biến trạng thái. Tính trễ có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống, thời gian trễ càng lớn thì ảnh hưởng của khâu trễ lên hệ thống càng cao. Vì vậy, so với các hệ thống không có tính trễ thì việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống có trễ là một vấn đề phức tạp hơn hẳn, thời gian gần đây hệ thống có trễ nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và đã có các công trình nghiên cứu liên quan nhằm thiết kế những bộ điều khiển cho hệ thống có trễ.Một trong những đối tượng có trễ phổ biến là hệ quạt gió tấm phẳng, thời gian trễ chính là khoảng thời gian luồng gió chuyển động từ quạt đến tấm phẳng. Nếu khoảng cách giữa quạt gió và tấm phẳng càng lớn thì thời gian trễ càng cao.

LUẬN VĂN THẠC SĨ LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CÓ TRỄ (TWO – DEGREE –OF – FREEDOM – CONTROL) VÀ SỰ KẾT HỢP TWO – DEGREE –OF – FREEDOM – CONTROL VÀ STR. Thành phô Hồ Chí Minh 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Hệ thống có trễ thường xuất hiện trong các lĩnh vực kỹ thuật như mạng lưới truyền thông, quy trình trao đổi chất hay hệ thống điều khiển từ xa, … Tính trễ là một thuộc tính của các hệ thống vật lý, thể hiện ở việc đáp ứng của hệ thống chậm hơn so với những tác động đặt lên nó. Hệ thống có thể có nhiều dạng trễ khác nhau, đó có thể là trễ ở ngõ vào, trễ ở ngõ ra hay trễ ở các biến trạng thái. Tính trễ có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống, thời gian trễ càng lớn thì ảnh hưởng của khâu trễ lên hệ thống càng cao. Vì vậy, so với các hệ thống không có tính trễ thì việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống có trễ là một vấn đề phức tạp hơn hẳn, thời gian gần đây hệ thống có trễ nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và đã có các công trình nghiên cứu liên quan nhằm thiết kế những bộ điều khiển cho hệ thống có trễ. Một trong những đối tượng có trễ phổ biến là hệ quạt gió tấm phẳng, thời gian trễ chính là khoảng thời gian luồng gió chuyển động từ quạt đến tấm phẳng. Nếu khoảng cách giữa quạt gió và tấm phẳng càng lớn thì thời gian trễ càng cao. Hình 1.1: Mô hình quạt gió tấm phẳng 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ Sau khi nghiên cứu sẽ áp dụng vào mô hình thật là hệ quạt gió tấm phẳng vì đây là hệ thống có tính trễ ở ngõ vào rất cao, thời gian trễ lớn và là đối tượng tiêu biểu của hệ thống có trễ. Mục tiêu là điều khiển ổn định góc nghiêng của tấm phẳng và bám theo tín hiệu đặt mong muốn. 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan Hệ thống có trễ là vấn đề đang được sự quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới nên có khá nhiều bài báo khoa học liên quan đến đề tài này, nhiều phương pháp và giải thuật điều khiển khác nhau được các tác giả áp dụng vào hệ thống có trễ. Các bài viết tập trung vào những nội dung sau: • Điều khiển bền vững hệ thống phi tuyến không ổn định có trễ. Các tài liệu tham khảo số [13], [14], [15]. - Đối tượng được khảo sát là các hệ thống phi tuyến có trễ, nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng để điều khiển bền vững hệ thống như điều khiển trượt, sử dụng hệ mờ, …. - Tuy nhiên các bài báo chỉ thực hiện ổn định bền vững các biến trạng thái tại không mà không xây dựng thuật toán điều khiển để đáp ứng của đối tượng bám theo tín hiệu đặt mong muốn. - Kết quả đạt được: Hình 1.2: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển bền vững 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ • Điều khiển thích nghi hệ thống phi tuyến không ổn định có trễ. Các tài liệu tham khảo số [9], [10], [11], [12]. - Các bài báo thực hiện trên đối tượng phi tuyến không ổn định có trễ, đối tượng khảo sát có phương trình trạng thái tổng quát. Với điều kiện ban đầu khác không, các biến trạng thái sẽ tiến về không sau một thời gian ngắn. - Cũng như các tài liệu về điều khiển bền vững ở trên, các bài báo chỉ thực hiện ổn định hóa các biến trạng thái tại không mà không xây dựng bộ điều khiển để ngõ ra hệ thống bám theo tín hiệu đặt mong muốn. - Kết quả đạt được: Hình 1.3: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển thích nghi • Sử dụng phương pháp Smith Predictor điều khiển hệ thống tuyến tính có trễ. Các tài liệu tham khảo số [16], [17], [18]. - Smith Predictor là bộ điều khiển được thiết kế cho các hệ thống có trễ, bộ điều khiển có cấu trúc đơn giản nhưng hiệu quả cao. Với đối tượng khảo sát là các hệ thống tuyến tính có trễ, Smith Predictor có thể điều khiển ngõ ra đối tượng bám theo tín hiệu đặt mong muốn và khử nhiễu. 12 LUẬN VĂN THẠC SĨ - Kết quả đạt được: Hình 1.4: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển Smith Predictor • Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính không ổn định có trễ. Các tài liệu tham khảo số [7], [8]. - Bài báo trình bày việc thiết kế mô hình điều khiển cho hệ thống tuyến tính không ổn định có trễ, như phương pháp điều khiển Two-degree-of-freedom- control (được phát triển từ phương pháp Smith Predictor) và phương pháp điều khiển mô hình nội, với khả năng điều khiển hệ thống bám theo tín hiệu đặt mong muốn và chống nhiễu cao. - Kết quả đạt được: Hình 1.5: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển Two-degree-of-freedom-control 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.3 Phạm vi nghiên cứu Hệ thống có trễ là một đề tài nghiên cứu mới và việc thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng có trễ sẽ khó khăn hơn các hệ thống không có tính trễ, các tài liệu tham khảo cũng có những khuyết điểm nhất định. Sau một thời gian tìm hiểu, học viên quyết định chọn bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control làm đối tượng nghiên cứu. Dựa vào lý thuyết bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control, học viên sẽ áp dụng để điều khiển một đối tượng thật, cụ thể là hệ quạt gió tấm phẳng, và chứng minh được rằng hệ thống với bộ điều khiển sẽ đảm bảo tính ổn định. Các mục tiêu chính của đề tài bao gồm: - Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống có trễ, tập trung vào phương pháp Two-degree-of-freedom-control. - Kết hợp bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control với bộ điều khiển Tự chỉnh định STR. - Áp dụng phương pháp trên để thiết kế bộ điều khiển cho hệ quạt gió tấm phẳng, xây dựng mô hình Simulink để kiểm chứng kết quả đạt được. - Sử dụng vi điều khiển DSP28335 để nhúng các giải thuật điều khiển hệ quạt gió tấm phẳng vào mô hình thật. - Tổng kết, báo cáo và so sánh các kết quả đạt được. Trên cơ sở kết quả thu được từ mô phỏng và điều khiển thực nghiệm mô hình quạt gió tấm phẳng, học viên sẽ tiến hành phân tích ưu khuyết điểm của các phương pháp điều khiển để đưa ra phương pháp cải tiến nhằm đạt được bộ điều khiển tốt hơn. 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.4 Tóm lược nội dung luận văn Luận văn gồm 5 chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống có trễ và các công trình nghiên cứu liên quan, phân tích các ưu khuyết điểm của các giải thuật điều khiển cho hệ thống có trễ. Từ đó chọn ra bộ điều khiển được cho là tốt nhất đó là Two-degree-of-freedom-control để tiến hành nghiên cứu và phát triển, sau đó sẽ áp dụng vào hệ quạt gió tấm phẳng để kiểm chứng. Chương 2: Trình bày chi tiết lý thuyết của bộ điều khiển Two-degree-of-freedom- control. Từ đó nhận ra được khuyết điểm của bộ điều khiển, đó là bộ điều khiển Two- degree-of-freedom-control được xây dựng dựa trên hàm truyền của đối tượng. Nhưng thực tế ta không thể xác định được chính xác hàm truyền của hệ thống, cụ thể là mô hình quạt gió tấm phẳng, nên cũng không thể áp dụng bộ điều khiển vào đối tượng thật. Để khắc phục khuyết điểm này, một giải pháp được đưa ra là chúng ta sẽ kết hợp bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control với bộ điều khiển tự chỉnh định STR. Bộ điều khiển STR có nhiệm vụ cập nhật các thông số của mô hình toán của đối tượng, sau đó đưa các thông số này vào bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển chính xác cho đối tượng hoạt động đúng yêu cầu đặt ra. Chương 3: Tiến hành kết hợp 2 bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control và STR lại với nhau. Tuy nhiên, do bộ điều khiển STR được xây dựng ở miền rời rạc z trong khi bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control lại được xây dựng ở miền liên tục s. Vì vậy, trước tiên ta sẽ xây dựng lại bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control ở miền z, sau đó sẽ tiến hành xây dựng bộ điều khiển kết hợp và áp dụng vào hệ quạt gió tấm phẳng. Nội dung tiếp theo sẽ trình bày sơ đồ mô phỏng Matlab/Simulink đã xây dựng cho hệ thống. 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: Sau khi đã có sơ đồ mô phỏng hoàn chỉnh, ta sẽ tiến hành thi công mô hình quạt gió tấm phẳng và áp dụng bộ điều khiển ở Chương 3 vào mô hình thật. Cấu trúc mô hình quạt gió cánh phẳng và bộ điều khiển sẽ được trình bày trong chương này. Chương 5: Nội dung Chương 5 trình bày chi tiết các kết quả đạt được từ quá trình mô phỏng và thực nghiệm. Từ đó sẽ có được những đánh giá chính xác về độ tin cậy cũng như chất lượng của bộ điều khiển, và đưa ra hướng phát triển để hoàn thiện hơn nữa bộ điều khiển. 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÓ TRỄ 2.1 Giới thiệu Sau thời gian tìm hiểu về các bộ điều khiển cho hệ thống có trễ, bộ điều khiển Two- degree-of-freedom-control đã được chọn để nghiên cứu. Bộ điều khiển có thể áp dụng cho hệ thống có trễ và không ổn định, điều khiển hệ thống bám theo tín hiệu đặt mong muốn và có khả năng khử nhiễu. Sau khi đã tìm hiểu toàn bộ về lý thuyết bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control, ta tiến hành áp dụng vào mô hình thật là hệ quạt gió tấm phẳng. Lúc này ta sẽ nhận ra thuật toán có một khuyết điểm lớn, đó là bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control được xây dựng dựa trên hàm truyền của đối tượng. Nhưng thực tế chúng ta không thể xác định được chính xác hàm truyền của hệ thống, cụ thể là mô hình quạt gió tấm phẳng, nên cũng không thể xây dựng bộ điều khiển chính xác. Từ khuyết điểm đó, ta sẽ tiến hành kết hợp bộ điều khiển Two-degree-of-freedom- control với bộ điều khiển tự chỉnh định STR. Bộ điều khiển tự chỉnh định STR có nhiệm vụ tự xác định mô hình toán của đối tượng, sau đó cập nhật các thông số của mô hình toán hệ thống vào bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển chính xác cho đối tượng hoạt động đúng yêu cầu đặt ra. Nội dung chương này sẽ trình bày về lý thuyết của 2 bộ điều khiển là bộ điều khiển tự chỉnh định STR và bộ điều khiển cho hệ thống có trễ Two-degree-of-freedom-control. 17 LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.2 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR Để thiết kế được bộ điều khiển cho một đối tượng cụ thể thì cần phải có mô hình toán học mô tả đối tượng đó. Chẳng hạn đối với đối tượng có một tín hiệu vào, một tín hiệu ra thì mô hình toán học thông dụng nhất là hàm truyền có dạng 1 1 1 1 ( ) 1 m m n n b z b z G z a z a z − − − − + + = + + + (n ≥ m) (2.1) Chất lượng điều khiển phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình toán học mô tả đối tượng. Ngoài ra, trong quá trình làm việc, để chất lượng hệ thống vẫn đạt được chỉ tiêu thiết kế như ban đầu thì cần giả thuyết rằng đối tượng không tự thay đổi, tức là độ chính xác của mô hình vẫn còn được giữ nguyên. Điều này trong thực tế chỉ là lý tưởng, các mô hình toán đều chứa một sai lệch nhất định so với đối tượng thật và trong quá trình làm việc, đối tượng cũng tự thay đổi, làm cho sai lệch giữa mô hình và đối tượng càng lớn, dẫn đến độ sai lệch chất lượng so với chỉ tiêu thiết kế càng nhiều. Một bộ điều khiển trong quá trình làm việc có khả năng tự xác định lại mô hình toán học mô tả đối tượng và tự chỉnh định lại bản thân nó cho phù hợp với sự thay đổi của đối tượng được gọi là bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR. Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định đơn giản nhất là bộ thích nghi tự chỉnh tham số, nó không thay đổi cấu trúc bộ điều khiển mà chỉ xác định lại các tham số a i (i = 1,2,…,n) và b j (j = 1,2,…,m) của mô hình đối tượng để từ đó tự chỉnh định lại các tham số điều khiển của chính mình cho phù hợp. Nguyên tắc điều khiển STR được xếp vào nhóm điều khiển thích nghi gián tiếp vì tham số bộ điều khiển được hiệu chỉnh gián tiếp qua kết quả của cơ cấu nhận dạng. 18 [...]... hệ thống, từ đó đưa về bộ điều khiển Two -degree- offreedom -control để đưa ra tín hiệu điều khiển chính xác 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tuy nhiên, bộ điều khiển STR được xây dựng ở miền rời rạc z trong khi bộ điều khiển Two -degree- of- freedom- control lại được xây dựng ở miền liên tục s Vì vậy, trước tiên ta sẽ xây dựng lại bộ điều khiển Two -degree- of- freedom- control ở miền rời rạc z, sau đó sẽ tiến hành kết hợp. .. = 0,2 m - Hệ số ma sát ở trục quay: b = 0,01 - Hệ số tỉ lệ giữa lực gió và điện áp cấp vào motor: k = 0,0025 - Thời gian lấy mẫu: Ts = 10 ms - Thời gian trễ: 10 chu kỳ - Khối STR estimation: chính là bộ ước lượng trực tuyến các thông số của hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng Hình 3.6: Bộ ước lượng STR - Khối Gc: Bộ điều khiển ổn định của Two -degree- of- freedom- control, với GC = K 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình... chọn bộ ước lượng nhiễu F có dạng như sau: FPID ( s ) = k F + 1 + TD s TI s (2.26) 2.4 Kết luận Với các cơ sở lý thuyết như trên, ta sẽ tiến hành kết hợp bộ điều kiển Two -degree- offreedom -control và bộ điều khiển tự chỉnh định STR để được bộ điều khiển tối ưu và sau đó sẽ áp dụng vào mô hình quạt gió cánh phẳng Bộ điều khiển kết hợp sẽ được trình bày cụ thể ở Chương 3 26 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 3 THIẾT... sai số ISE (Integral-Squared-Error) giúp hệ thống đạt được giá trị đặt mong muốn Cấu trúc của bộ điều khiển như sau: r C u + + di GP – – f F + do y e + – GC + – Gmo Hình 2.2: Bộ điều khiển Two -degree- of- freedom- control Trong đó: 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ - GP: mô hình của đối tượng - Gmo: thành phần không phụ thuộc tính trễ của mô hình Gp GP = Gmo e−θm s (2.5) - GC: bộ điều khiển ổn định - C: bộ điều khiển... )   (2.4) T 2.3 Bộ điều khiển Two -degree- of- freedom- control Bộ điều khiển có thể áp dụng cho hệ thống có trễ và không ổn định, điều khiển hệ thống bám theo tín hiệu đặt mong muốn và có khả năng khử nhiễu Nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ điều khiển như sau: trước tiên, bộ điều khiển tỉ lệ hoặc bộ điều khiển vi phân-tỉ lệ thông thường được sử dụng để ổn định hệ thống, sau đó bộ điều khiển bám được... khiển STR sẽ cập nhật các thông số của đối tượng là [a , a , K] và cung cấp cho bộ điều khiển Two -degree- of- freedom- control Từ hàm truyền của hệ ta suy ra: (1 + a1 z −1 + a2 z −2 )Y ( z ) = Kz − k0U ( z ) => y (k ) = − a1 y (k − 1) − a2 y (k − 2) + Ku (k − k0 ) (3.37) Đặt: φ(k) = [-y(k-1) -y(k-2) u(k-k0)]T θ = [a1 a2 K]T => y(k) = φT(k).θ (3.38) Thuật toán ước lượng bình phương tối thiểu đệ quy: 37 LUẬN... C ( z) = K (3.34) c Bộ ước lượng nhiễu F 36 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ Như lý thuyết về bộ điều khiển Two -degree- of- freedom- control cho hệ liên tục đã giới thiệu ở Chương 2, ta chọn bộ ước lượng nhiễu F có dạng như bộ điều khiển PID: F = kP + 1 z −1 T + TD −1 I 1− z z (3.35) 3.2.3 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR cho hệ quạt gió tấm phẳng Hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng: Y ( z) Kz − k0 GP ( z )... hàm truyền xác định và không thay đổi trong suốt quá trình làm việc Như đã trình bày ở Chương 2, ta không xác định được chính xác hàm truyền của hệ thống và các thông số trong hàm truyền sẽ thay đổi theo điều kiện làm việc Để khắc phục khuyết điểm này, ta sẽ kết hợp bộ điều khiển Two -degree- of- freedomcontrol và bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR lại với nhau Bộ điều khiển STR sẽ cập nhật liên... ngõ vào của quạt gió, ta có: Q = F = f(u(t - τ)) (3.11) f : hàm phi tuyến tượng trưng cho cánh quạt Ta thu được phương trình vi phân đặc trưng cho hệ thống quạt gió tấm phẳng như sau : &+ 1 & Jθ& Mgl sin(θ ) + bθ = f (u (t − τ )) 2 (3.12) 3.2 Thiết kế bộ điều khiển ứng dụng trong mô hình quạt gió tấm phẳng Lý thuyết về bộ điều khiển Two -degree- of- freedom- control chỉ được xây dựng cho hệ thống có hàm... cho hệ kín: Td = f FGP = di 1 + FGP (2.17) Bộ ước lượng nhiễu F nhận sai số ở ngõ ra hệ thống và tạo ra tín hiệu nghịch đảo tương đương để khử nhiễu Điều kiện để khử nhiễu cho hệ thống: lim H do ( s) = 0 , s → pi i = 1, 2,…, m (2.18) lim H do ( s ) = 0 (2.19) s →0 Với pi là cực của hệ thống và m là số lượng cực 24 LUẬN VĂN THẠC SĨ Dựa vào tiêu chuẩn tối ưu H2 của lý thuyết mô hình nội, hàm bù nhạy có . LUẬN VĂN THẠC SĨ LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CÓ TRỄ (TWO – DEGREE OF – FREEDOM – CONTROL) VÀ SỰ KẾT HỢP TWO – DEGREE OF – FREEDOM – CONTROL VÀ STR. Thành phô. cao. - Kết quả đạt được: Hình 1.5: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển Two -degree- of- freedom- control 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.3 Phạm vi nghiên cứu Hệ thống có trễ là một đề tài nghiên cứu. hệ thống có trễ, tập trung vào phương pháp Two -degree- of- freedom- control. - Kết hợp bộ điều khiển Two -degree- of- freedom- control với bộ điều khiển Tự chỉnh định STR. - Áp dụng phương pháp trên