Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi ứng dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa trung tâm học liệu Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU Học viên : Nguyễn Thị Bích Thủy Lớp : CH - K13 Chuyên ngành : Tự động hóa CB hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Văn Vỵ BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC Số hóa trung tâm học liệu CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS Nguyễn Văn Vỵ Nguyễn Thị Bích Thủy http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung luận văn riêng làm theo định hƣớng giáo viên hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Vỵ, không chép ngƣời khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo đƣợc luận văn Nếu có sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Thị Bích Thủy Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU Học viên : Nguyễn Thị Bích Thủy Lớp : CH - K13 Chuyên ngành : Tự động hóa CB hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Văn Vỵ BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC Số hóa trung tâm học liệu CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS Nguyễn Văn Vỵ Nguyễn Thị Bích Thủy http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới hƣớng dẫn tận tâm nghiêm khắc TS Nguyễn Văn Vỵ Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy tận tình hƣớng dẫn cung cấp cho em tài liệu để hoàn thành luận văn này, nhƣ việc truyền thụ kinh nghiệm quý báu suốt thời gian làm luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn Thầy, Cô Khoa Điện tử Khoa Điện Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tạo điều kiện giúp đỡ tận tình việc nghiên cứu đề tài Cuối tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ Ban giám hiệu, Khoa Sau Đại học Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cho phép tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả luận văn Nguyễn Thị Bích Thủy Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU 1 Mục tiêu đề tài Tính cấp thiết đề tài Nội dung luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.1 Lịch sử phát triển hệ diều khiển thích nghi 1.2 Đặc điểm chung hệ thống Điều khiển thích nghi 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Cấu trúc hệ điều khiển thích nghi 1.2.3 Phân loại 1.2.3.1 Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuyếch đại 1.2.3.2 Hệ Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC) 1.2.3.3 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh (STR) 1.3 Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC) 10 1.3.1 Phƣơng pháp MRAC trực tiếp 11 1.3.2 Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 12 1.4 Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực - APPC 14 1.5 Ƣu nhƣợc điểm ứng dụng hệ điều khiển thích nghi 15 1.6 Hệ thống điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính 15 1.7 Kết luận chƣơng 17 CHƢƠNG HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU 19 2.1 Đặc điểm hệ MRAC 19 2.1.1 Sơ đồ cấu trúc MRAC 19 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv 2.1.2 Phân loại MRAC 21 2.1.2.1 Quan điểm cấu trúc 21 2.1.2.2 Theo quan điểm ứng dụng 22 2.1.3 Nguyên lí làm việc hệ MRAC 24 2.2 Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo thuyết tối ƣu cục 26 2.3 Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov 35 2.4 Tổng hợp luật thích nghi sở lí thuyết ổn định tuyệt đối nguyên lí dƣơng hệ thống động 38 2.5 Kết luận chƣơng 44 CHƢƠNG TỔNG HỢP MRAC CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU 46 3.1 Hệ truyền động quấn băng vật liệu 46 3.1.1 Quá trình hoạt động hệ tháo - quấn dây 47 3.1.2 Kết cấu khí phận quấn dây 48 3.1.3 Yêu cầu công nghệ cấu quấn dây 49 3.1.4 Thiết kế điều khiển 50 3.2 Mơ tả tốn học đối tƣợng điều khiển 51 3.2.1 Mơ tả tốn học chế độ xác lập 52 3.2.2 Mơ tả tốn học chế độ độ 53 3.2.2.1 Mô tả chung 53 3.2.2.2 Mô tả từ thông động không đổi ( = const) 54 3.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển 55 3.3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 55 3.3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 58 3.3.3 Tính tốn mạch vịng thích nghi 61 3.4 Tổng hợp sơ đồ cấu trúc hệ 66 3.5 Kết luận chƣơng 68 CHƢƠNG KIỂM NGHIỆM CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 70 4.1 Mục đích, phƣơng pháp nội dung kiểm nghiệm 70 4.1.1 Mục đích 70 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v 4.1.2 Phƣơng pháp đánh giá 70 4.1.3 Nội dung 70 4.2 Tính tốn tham số điều khiển 70 4.3 Sơ đồ mô Matlab-Simulink 73 4.4 Kết mô 76 4.5 Kết luận chƣơng 85 KẾT LUẬN CHUNG 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ký hiệu θ θ m , θs V(.) AS(t), BS(t) Am, Bm Xm, Xs u(t) x(t) y(t) Ý nghĩa Véctơ tham số xấp xỉ Là tín hiệu mơ hình đối tƣợng Hàm Lyapunov Là ma trận biến thiên theo thời gian tác động nhiễu bên bên hệ thống Là ma trận số mơ hình mẫu Là véctơ trạng thái mơ hình mẫu Tín hiệu điều khiển Véctơ trạng thái hệ Tín hiệu CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa ĐKTN Điều khiển thích nghi MIT Massachusetts Institute of Technology MRAC Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu MRC Điều khiển theo mơ hình mẫu STR Điều khiển tự chỉnh SISO Một tín hiệu vào - Một tín hiệu APPC Điều khiển thích nghi áp đặt cực PPC Điều khiển áp đặt cực Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ thống Điều khiển thích nghi Hình 1.2 Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuyếch đại Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mơ hình mẫu MRAC Hình 1.4 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR Hình 1.5 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR 10 Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu trực tiếp 11 Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu gián tiếp 12 Hình 1.8 Hệ điều khiển PPC 14 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính 16 Hình 1.10: Dạng thứ hai sơ đồ nguyên lý 16 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mơ hình mẫu MRAC 20 Hình 2.2: Hệ thống ĐKTN có mơ hình mẫu nối tiếp 21 Hình 2.3: Hệ thống ĐKTN có mơ hình mẫu song song 21 Hình 2.4: Hệ thống ĐKTN có mơ hình mẫu song song, nối tiếp 22 Hình 2.5: Sơ đồ ĐKTN theo mơ hình mẫu trực tiếp 23 Hình 2.6: Sơ đồ ĐKTN theo mơ hình mẫu gián tiếp 23 Hình 2.7: Sơ đồ ĐKTN theo mơ hình mẫu 25 Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thích nghi 30 Hình 2.9: Các lọc nhạy cảm cho thông số b j 34 Hình 2.10: Các lọc nhạy cảm cho thơng số a j 34 Hình 2.11: Luật điều khiển sở hàm Lyapunop 37 Hình 2.12: Cấu trúc hệ thông số 37 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc MRAC sở ổn định tuyệt đối 38 Hình 2.14 Phƣơng pháp tổng hợp tín hiệu bổ sung Up2(t) 39 Hình 2.15: Cấu trúc hệ phản hồi 41 Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc hệ có phản hồi 42 Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc hệ có phản hồi đầy đủ 43 Hình 3.1: Sơ đồ động học cấu tháo - quấn dây 46 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 74 Scope2 Ud Mc U p2 Omega Ed Mơ hình động khơng thích nghi Scope4 Omega mau U cd Mc U p2 Omega Ed Scope2 Omega Omega U p2 Mơ hình động có thích nghi Signal2 Up2 Ud Omega Ud Mc Up2 Signal1 Up Omega1 Omega.mau Scope1 Scope2 Signal.5 Omega mau Omega Em U p2 Ed Pulse Generato r Omega Bộ điều khiển thích nghi Ud Omega mau Em Scope3 Scope2 Omega mau Mơ hình mẫu Hình 4.1: Sơ đồ mơ SIMULINK hệ thống Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 75 Hình 4.2 Mơ hình hệ thống chưa có ĐKTN Hình 4.3 Mơ hình hệ thống có ĐKTN Hình 4.4 Mơ hình mẫu đối tượng Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 76 Hình 4.5 Bộ điều khiển thích nghi 4.4 Kết mơ Trên sở tiến hành khảo sát đặc tính hệ các thông số hệ thay đổi (Momen quán tính J biến thiên momen cản Mc thay đổi) Các kết mơ hình H4.6 H4.14 Ym Yp r Mc Hình 4.6: Đặc tính hệ đường kính cuộn dây Mc thay đổi Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 77 Ym : Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Yp : Đặc tính hệ r : Tín hiệu đặt Mc: nhiễu tác động vào hệ thống biến thiên chậm Khi tín hiệu đặt thay đổi theo u cầu cơng nghệ mô men cản Mc biến thiên nhƣng đặc tính hệ Yp bám theo đặc tính mong muốn Ym Ym Yp r Nhiễu Hình 4.7: Đặc tính hệ lượng đặt phụ tải thay đổi Ym : Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Yp : Đặc tính hệ r : Tín hiệu đặt Mc: nhiễu tác động vào hệ thống Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 78 Khi tín hiệu đặt thay đổi mô men cản Mc biến thiên nhƣng đặc tính hệ Yp bám theo đặc tính mong muốn Ym Hình 4.8: Đặc tính hệ J Mc thay đổi Đặc tính Yp1 tƣơng ứng với Jvar = 0,2.Jđm = 0,023 (Nm2) Đặc tính Yp2 tƣơng ứng với Jvar = 1,25.Jđm = 0,25 (Nm2) Ym: Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Mc: Nhiễu tác động vào hệ Nhƣ đặc tính bị ảnh hƣởng momen quán tính thay đổi nhiễu tác dụng, nghĩa hệ thích nghi với thay đổi tham số Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 79 Hình 4.9: Đặc tính hệ nhiễu thay đổi dạng xung tam giác Ym: Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Yp: Đặc tính hệ Yc: Đặc tính hệ khơng có thích nghi Mc: Nhiễu tác động vào hệ Trong trƣờng hợp nhiễu thay đổi dạng xung tam giác nhảy cấp, nhận thấy M c thay đổi nhảy cấp đặc tính Y c chƣa có thích nghi thay đổi theo, nhƣng đặc tính hệ Y p bám theo đặc tính mong muốn Y m Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 80 Hình 4.10: Đặc tính hệ nhiễu thay đổi nhảy cấp Ym: Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Yp: Đặc tính hệ Yc: Đặc tính hệ khơng có thích nghi Mc: Nhiễu tác động vào hệ Khi nhiễu Mc thay đổi nhảy cấp, đặc tính hệ ĐKTN Yp bám theo đặc tính Ym chịu ảnh hƣởng nhiễu tác động Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 81 Hình 4.11: Đặc tính hệ nhiễu thay đổi ngẫu nhiên Ym: Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Yp: Đặc tính hệ Yc: Đặc tính hệ khơng có thích nghi Mc: Nhiễu tác động vào hệ Khi nhiễu Mc thay đổi ngẫu nhiên, đặc tính hệ ĐKTN Yp bám theo đặc tính Ym chịu ảnh hƣởng nhiễu tác động Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 82 Hình 4.12: Đặc tính hệ thay đổi ngẫu nhiên Ym: Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Yp: Đặc tính hệ Yc: Đặc tính hệ khơng có thích nghi Mc: Nhiễu tác động vào hệ Khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên, nhận thấy thời điểm mà Mc thay đổi đáp ứng tốc độ đặc tính khơng có thích nghi Y c thay đổi theo Nhƣng đặc tính hệ Y p bám theo đặc tính mong muốn Ym Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 83 Hình 4.13: Đặc tính hệ thay đổi dạng hình sin có chu kì Ym: Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Yp: Đặc tính hệ Yc: Đặc tính hệ khơng có thích nghi Mc: Nhiễu tác động vào hệ Khi nhiễu thay đổi dạng sin ngẫu nhiên, nhận thấy thời điểm mà Mc thay đổi từ Min Max đáp ứng tốc độ đặc tính khơng có thích nghi Yc thay đổi từ Max Min Nhƣng đặc tính hệ Yp bám theo đặc tính mong muốn Ym Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 84 Hình 4.14: Đặc tính hệ thay đổi ngẫu nhiên Ym: Đặc tính mơ hình mẫu - đặc tính mong muốn Yp: Đặc tính hệ Yc: Đặc tính hệ khơng có thích nghi Mc: Nhiễu tác động vào hệ Khi nhiễu Mc thay đổi ngẫu nhiên, đặc tính hệ ĐKTN Yp bám theo đặc tính Ym chịu ảnh hƣởng nhiễu tác động Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 85 4.5 Kết luận chƣơng Bằng cách sử dụng luật thích nghi thay cho luật điều khiển thông thƣờng ta tổng hợp đƣợc điều khiển thích nghi áp dụng cho hệ truyền động điện chiều quấn băng vật liệu hệ đƣợc sử dụng thực tế đòi hỏi tiêu điều chỉnh tốc độ cao Qua kết kiểm tra mô hệ thống ta đƣa đƣợc kết luận sau : hệ truyền động hệ phi tuyến thực tế hệ làm việc bị nhiễu tác động từ môi trƣờng nhƣng với điều khiển thích nghi chất lƣợng hệ ln bám theo đặc tính mong muốn : + Chất lƣợng động hệ tốt hệ truyền động thông thƣờng: thời gian độ nhỏ, lƣợng điều chỉnh nhỏ, dao động + Khi lƣợng đặt khơng đổi sai lệch đặc tính hệ nhỏ Chất lƣợng động chất lƣợng tĩnh không phụ thuộc vào mô men cản nghĩa hệ bền vững nhiễu Với kết kiểm nghiệm cho phép ta xây dựng đƣợc hệ truyền động thoả mãn yêu cầu đặt trƣớc cho đối tƣợng địi hỏi chất lƣợng điều chỉnh cao Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 86 KẾT LUẬN CHUNG Trong q trình nghiên cứu, tơi thu đƣợc số kết sau: Sau thời gian tìm tịi học hỏi, tơi hồn thành đƣợc luận văn theo đề cƣơng đƣợc phê duyệt Đã nghiên cứu cấu trúc dạng hệ thống ĐKTN Đã tổng hợp đƣợc hệ ĐKTN theo mơ hình mẫu trực tiếp cho động điện chiều Đã tổng hợp đƣợc hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu Qua kết khảo sát với đối tƣợng cụ thể, kết luận: - Hệ ĐKTN cải thiện nâng cao tính ổn định hệ thống đƣợc điều khiển nhƣ nêu phần lí thuyết - Hệ ĐKTN có khả chống biến thiên tham số, đáp ứng yêu cầu trình cơng nghệ thực tế Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1.1 Vũ Gia Hạnh, Phan Tử Thụ (1992): Máy điện - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 1.2 Nguyễn Cơng Hiền (2005): Mơ hình hố mơ - Giáo trình dành cho cao học 1.3 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2002): Truyền động điện - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 1.4 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dƣơng Văn Nghi (2002): Điều chỉnh tự động truyền động điện - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 1.5 Võ Quang Lạp, Trần Thọ (2004 - dịch): Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 1.6 Nguyễn Thƣơng Ngơ (1999): Lí thuyết điều khiển tự động đại NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 1.7 Nguyễn Thƣơng Ngơ (2001): Lí thuyết điều khiển tự động - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 1.8 Nguyễn Phƣớc Doãn, Phan Xuân Minh (2000): Hệ phi tuyến - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 1.9 Nguyễn Phƣớc Dỗn (2005): Lí thuyết điều khiển nâng cao - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội 1.10 Nguyễn Phùng Quang (2004): MATLAB Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động - NXB Khoa học kĩ thuật Hà Nội Tiếng Anh 2.1 Astrom, K.J and Wittenmark (1990): Computer Contrlled Systems: Theory anh design - Prentice-Hall ISBN 0-13-172784-2 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 88 2.2 Astrom, K.J and Wittenmark (1995): Adaptive Control - Addison Wesley Publising Companny 2.3 Charles L.Phillips and Royce D.Hardor (1996): Feedback Control Systems - Prƣntice-Hall International, Inc 2.4 Kurz, H.Insermann, R.Sechumann (1997): Experimental Comparition of various parameter adaptive algoritms - Automatica 13 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/