Luận văn: Thiết kế bộ điều khiển Learning FeedForward cho các hệ thống chuyển động điện cơ docx

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP    ĐỐ ÁN TỐT NGHIỆP ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn Learning FeedForward cho c¸c hÖ thèng chuyÓn ®éng ®iÖn c¬ Học viên: Lâm Hoàng Bình Giáo viên hướng dẫn: Ts. Nguyễn Duy Cương Chuyên ngành: Tự Động Hoá Khoá:K10 Thái Nguyên, tháng 10 năm 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu 1.1. Tổng quan về Learning Control (LC) …………………………… ………………1 1.2. Learning Control (LC) là gì……………………………………………… ………2 1.3. Phản hồi sai số tự học………………………………………………… …. ……… 7 1.3.1. Một số ví dụ về ma sát độc lập 8 1.4. Điều khiển truyền thẳng tự học………………………………………… .… 13 1.4.1. Đầu vào của mạng BSN………………… ………………… ………14 1.4.2. Sự phân bố B-Spline trên đầu vào của mạng BSN 14 1.4.3. Sự lựa chọn các cơ cấu học. 15 1.4.4. Sự lựa chọn tốc độ học. 15 1.5. Ứng dụng minh hoạ: Hệ thống động cơ chyển động tuyến tính………….… … 18 1.6. Bố cục luận văn…………………………………………….………………… …21 Chương 2: Các chuyển động lặp…………… …………………… ….…… …22 2.1. Giới thiệu ………………………………………………………… …………22 2.2. Các giả định ………………………………………………… ………… …….22 2 3. Độ rộng của nội suy B-Spline …………………………….…….……….…… 27 Thuật toán 2.2.1. (Tính toán giá trị ổn định nhỏ nhất của d dựa trên mô hình chi tiết của hệ thống điều khiển) 27 Chương 3: Thiết kế ứng dụng…………… ……………… ……………… …….34 3.1. Giới thiệu ………………………………………………………… …………34 3.1.1. Bộ điều khiển phản hồi 34 3.1.2.Các đầu vào của khâu truyền thẳng 34 3.1.3.Cấu trúc của khâu truyền thẳng 35 3.1.4. Phân bố B-Spline ………………………………………………… … …… 35 3.1.5. Tỷ lệ học 35 3.1.6. Luyện các chuyển động……………………………… ………….….….….… 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2. LiMMS …………………… ……………………………………….… ….….36 3.2.1. Thiết lập…………………………………………………………….……… …36 3.2.2. Thủ tụ thiết kế một hệ thống Time-indexed LFFC ………………….…… … 37 3.2.3. Các thí nghiệm kiểm chứng cho hệ thống Time-indexed LFFC…… …….… 40 3.2.4. Thiết kế một LFFC tối giản……………………………………………….… 48 3.2.5. Kết luận…………………………………………………………… ……… 62 3.3. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm 20-sim………………………………………63 3.3.1. Mạng FeedBack……………………………………………………………… 64 3.3.2. LFFC khi có ViscouNeural………………………………………………….…65 3.3.3. LFFC khi có CoulombNeural và ViscouNeural……………………………….66 3.3.4. LFFC khi có CoulombNeural, ViscouNeural, CoggingNeural……………… 68 3.3.5. LFFC khi có CoulombNeural, ViscouNeural, CoggingNeural, InertialNeural 69 Chương 4: Kết luận……………………………………………………….………….71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo [1] Learning feed – Forward Control Theory, Design and Applications Wubbe Jan Roelf Velthuis - 1970 [2] Function Approximation for Learning Control, a key sample based approach B.J. de Kruif - 1976 [3] Intelligent Control part 1 – MRAS Author prof. Dr.ir Job van Amerongen – March 2004 [4] Advanced Controllers for Electromechanical Motion Systems Dr. Nguyen Duy Cuong. University of Twente, March, 2008 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Li núi u Điều khiển chuyển động (motion control) liên quan việc sử dụng lực để điều khiển sự di chuyển của đối t-ợng điều khiển trong một hệ thống cơ và đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp nh- đóng gói, in, dệt, hàn, cũng nh- nhiều ứng dụng khác. Hiện nay, phần lớn các loại hình điều khiển chuyển động đ-ợc thực hiện bằng cách sử dụng các động cơ điện, và đây chính là điều quan tâm chính của chúng tôi trong thiết kế. Các hệ điều khiển chuyển động có thể là phức tạp vì có nhiều vấn đề khác nhau cần đ-ợc xem xét, ví dụ nh-: - Giảm thiểu ảnh h-ởng của nhiễu hệ thống. - Suy yếu tác động xấu của nhiễu đo - Sự thay đổi thông số và cấu trúc không rõ của đối t-ợng điều khiển. Rất khó để tìm ra các ph-ơng pháp thiết kế mà có thể giải quyết đồng thời tất cả các vấn đề nêu trên, đặc biệt đối với các ph-ơng pháp điều khiển truyền thống mà ở đó các thiết kế điều khiển liên quan tới sự th-ơng thảo giữa các mục tiêu mang tính đối ng-ợc. Để khắc phục khó khăn đã nêu, bộ điều khiển Learning FeedForward (LFF) sẽ đ-ợc giới thiệu trong nghiên cứu này. Thc hin lun vn tt nghip trong khuụn kh chng trỡnh o to Thc s ngnh t ng húa ca trng i hc K thut Cụng nghip Thỏi Nguyờn, Tụi c giao ti: Thiết kế bộ điều khiển Learning FeedForward cho các hệ thống chuyển động điện cơ Lun vn phõn tớch cỏc quỏ trỡnh ng hc i tng thụng qua mụ hỡnh toỏn hc t ú a ra v chng minh tớnh phự hp ca cỏc phng ỏn iu khin, cui cựng l tin kim chng trờn phn mm mụ phng 20-sim. Lun vn c trỡnh by trong 4 chng: Chng 1: GII THIU Tng quan v Learning control Chng 2: PHN TCH N NH CA H THNG LFFC PH THUC THI GIAN Trong chng ny cp n b iu khin LFFC ph thuc thi gian v phõn tớch tớnh n nh ca h thng ph thuc vo thi gian. T ú tỡm ra cụng thc tớnh giỏ tr nh nht ca rng mng B-Spline Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Chương 3: THIẾT KẾ ỨNG DỤNG Trong các chương trước, một số vấn đề về LFFC đã được đề cập đến. Ở chương này sẽ sử dụng các kiến thức có được nhằm thực hiện thiết kế một bộ LFFC thực tế. Chương 4: KẾT LUẬN Sau thời gian thực hiện, đến nay bản luận văn của tôi đã hoàn thành. Trước thành công này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Nguyễn Duy Cương, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này, tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các anh các chị trong trường đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp cũng như gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Ngày 30 .tháng 10 năm 2009 Học viên Lâm Hoàng Bình Chương 2: Phân tích độ ổn định của hệ thống LFFC phụ thuộc thời gian Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 22 Chương 2: PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG LFFC PHỤ THUỘC THỜI GIAN 2.1. Giới thiệu Trong chương này đề cập đến bộ điều khiển LFFC phụ thuộc thời gian và phân tích tính ổn định của hệ thống phụ thuộc vào thời gian. Xác định giá trị nhỏ nhất của độ rộng mạng B-Spline. 2.2. Các giả định Để có thể phân tích tính ổn định của các thông số trong LFFC chúng ta giả thiết như sau: 1. Đối tượng cần điều khiển là đối tượng (single input - single output ) SISO LTI. 2. Bộ điều khiển phản hồi, C, là tuyến tính, các hằng số thời gian và các thông số được chọn cho vòng phản hồi là ổn định. 3. Luật học rời rạc.            h T k i h T k Ci i p p kh khukh 0 0    (2.1) (với h là thời gian mẫu) được thay thế bởi 1 công thức tương đương dưới dạng liên tục :          p T i p T Ci dtt dttut Ci 0 0    (2.2) 4. Phân bố B-spline giả thiết là đồng dạng. Giả thiết có N B-pline có phân bố đồng bộ trên phạm vi đầu vào, [0, T p ] (s), như trên Chương 2: Phân tích độ ổn định của hệ thống LFFC phụ thuộc thời gian Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 23 hình. băng thông (độ rộng) d(s) của các công thức cơ sở cho các tín hiệu từ 2 tới N–1 được cho bởi quan hệ sau:   s N T d p 1 2   (2.3) thành phần B-spline thứ i được định nghĩa như sau:                       0 2 1 2 2 )1( 2 2 2 22 i d ti d for d tdi i d ti d for d idt t i  (2.4) Thành phần thay thế (2.4) trong luật học (2.2) được cho bởi trọng số thích nghi sau:                                )1( 2 2 2 2 1 2 )1( 2 2 2 2 1 2 222 222 i d i d i d i d i d i d i d i d CC dt d tdi dt d idt dttu d tdi dttu d idt Ci  (2.5) Mẫu số của (2.5):               )1( 2 2 2 2 1 2 222 i d i d i d i d dt d tdi dt d idt (2.6) Sử dụng (2.6), khi đó có thể đơn giản hoá công thức của trọng số trong (2.5) :                    )1( 2 2 2 2 1 2 22 42424 i d i d i d i d CCC dttu d tdi dttu d idt Ci  (2.7) điều này ngụ ý rằng việc học là tuyến tính trong u C (t) và kể từ đây ta sẽ coi vòng lặp Chương 2: Phân tích độ ổn định của hệ thống LFFC phụ thuộc thời gian Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 24 thích nghi feed-forward là tuyến tính. khi vòng phản hồi cũng là tuyến tính, phần tín hiệu chủ đạo có thể đạt tới giá trị bằng 0 trong khi phân tích tính ổn định (xem hình 2.1). giá trị mong đợi khi đó là u F = 0. Hệ thống này là ổn định nếu một tín hiệu feed-forward ban đầu được lựa chọn là duy nhất thì sẽ không có kết quả ở đầu ra không giới hạn của đối tượng. tín hiệu feed-forward (ban đầu) được xác định bởi các giá trị (đầu) của trọng số trong Hình 2-1: Chỉ số thời gian của LFFC khi r = 0 mạng B-spline. Khi hệ thống được điều khiển phản hồi ổn định đầu ra chỉ có thể vượt quá giới hạn khi tín hiệu feed-forward u F (t) trở nên quá giới hạn. điều này muốn nói rằng ít nhất 1 trọng số đã đạt tới giá trị vô cùng lớn. Do đó, nếu các trọng số đã được thích nghi theo cách giữ nguyên giá trị chặn, hệ thống là ổn định, nếu không hệ thống là không ổn định. Giá trị của các trọng số còn lại bị chặn nếu: 1. Mỗi trọng số thích nghi theo 1 hướng đúng (về phía u F (t) = 0), có nghĩa là: 0 i  for 0 i  0 i  for 0 i  (2.8) 2. Các trọng số không thích nghi quá mạnh: ii  2 for 0 i  ii  2 for 0 i  (2.9) - BSN C + + U F P y t Chương 2: Phân tích độ ổn định của hệ thống LFFC phụ thuộc thời gian Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 25 Kết hợp (2.8) và (2.9) ta thu được: ii  20  for 0 i  02  ii  for 0 i  (2.10) Lưu ý rằng (2.10) là điều kiện đủ chứ không phải là điều kiện cần. Vấn đề là chọn băng thông (độ rộng) d và tốc độ học  C phù hợp với (2.10). Để giải quyết vấn đề này, ta giả thiết rằng hình dạng của tín hiệu feed-forward u F (t) là dạng tam giác. Sự lựa chọn này được thúc đẩy bởi thực tế là các kinh nghiệm đã chỉ ra rằng khi xảy ra hoạt động không ổn định đầu ra của BSN sẽ có dạng tam giác. Ánh xạ vào/ra này có thể thực hiện bằng cách chọn trọng số như w i = g với i = 1, 3, 5… và w i = -g với i = 2,4 6 với g  R + . xem hình 2.2 Hình 2.2: Tín hiệu phản hồi đầu vào Tín hiệu u F (t) có thể được viết dưới dạng chuỗi Furiê:         5,3,1 22 cos 8 n n F n t g tu   (2.11) với   1 2   rads d n n   (2.12) d 1 2 3 4 5 t g -g u F 1 0 μ [...]... khớp) 3.2.2 Thủ tụ thiết kế một hệ thống Time-indexed LFFC Trong một số ứng dụng LiMMS phải thực hiện các chuyển động lặp lại Do đó, đầu tiên chúng ta quan tâm đến một hệ thống Time-indexed LFFC Thủ tục thiết kế cho một Time-indexed LFFC được đưa ra dưới đây Bước 1: Thiết kế khâu điều khiển phản hồi Trong các thí nghiệm này, khâu điều khiển phản hồi được thiết kế nhờ một cơ chế tự động điều chỉnh giới... hoạt động chấp nhận được thì thiết kế lại bộ điều khiển phản hồi là một giải pháp Tuy nhiên, điều này yêu cầu bộ điều khiển phản hồi phải được thiết kế sao cho băng thông của vòng phản hồi kín tăng và điều này có nghĩa là độ ổn định bền vững đối với các thay đổi của các thiết bị giảm Chúng ta sẽ giải quyết vấn đề này theo cách khác Bộ điều khiển phản hồi sẽ được thiết kế sao cho ổn định và bền vững Nếu... hoạt động bám điều khiển mong muốn, một bộ lọc được thêm vào LFFC Khi bộ lọc này được thiết kế theo Chương 2, độ rộng tối thiểu cho phép của B-Spline sẽ giảm 3.1.2 .Các đầu vào của khâu truyền thẳng Các đầu vào của khâu truyền thẳng phụ thuộc vào loại chuyển động cần phải thực hiện Trong trường hợp các chuyển động lặp lại thì cho kỳ chuyển động được ưu tiên hơn đầu vào Khi thực hiện các chuyển động. .. B-Spline, dmin được cho bởi: d min  2 1 rads  1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 3: Thiết kế ứng dụng Chương 3: THIẾT KẾ ỨNG DỤNG 3.1.Giới thiệu Trong các chương trước, một số vấn đề về LFFC đã được đề cập đến Ở chương này sẽ sử dụng các kiến thức có được nhằm thực hiện thiết kế một bộ LFFC thực tế 3.1.1 Bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển có phản... B-Spline Với một mô hình chính xác của hệ thống P và bộ điều khiển C là sẵn có, giá trị của an và  n có thể được tính toán cho tất cả các tần số Điều này sẽ cho phép lựa chọn giá tri tối thiểu d sao cho (2.20) thỏa mãn nhờ quá trình tìm kiếm lặp lại đơn giản như sau: Thuật toán 2.3.1 (Tính toán giá trị ổn định nhỏ nhất của d dựa trên mô hình chi tiết của hệ thống điều khiển) 1 Chọn một khuôn dạng phân... 1: Thiết kế khâu điều khiển phản hồi Bộ điều khiển phản hồi tương tự được sử dụng như trong trường hợp Timeindexed LFFC C s   5538s  275280 400 2 2 s 2  100s  400  (3.11) Bước 2: Xác định các đầu vào cho khâu truyền thẳng Có thể xác định các đầu vào yêu cầu của khâu truyền thẳng nhờ mô tả động học của hệ thống theo khuôn dạng đã được giới thiệu Đối với LiMMS, từ các kết Số hóa bởi Trung... nên được lựa chọn nhỏ (gần 0) khi hệ thống có nhiễu đáng kể Trường hợp khác có thể lựa chọn tỷ lệ học lớn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 3: Thiết kế ứng dụng 3.1.6 Luyện các chuyển động Quá trình luyện một hệ thống LFFC phụ thuộc thời gian và một hệ thống LFFC chỉ bao gồm một mạng BSN có thể được thực hiện theo cách truyền thẳng Sự quan tâm đặc... nhiên, các đầu vào sẽ bao gồm các vị trí liên quan và thậm chí cả đạo hàm, tích phân của nó Qua phân tích Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 3: Thiết kế ứng dụng cho thấy các đầu vào được lựa chọn thế nào dựa trên cơ sở mô tả không gian trạng thái của thiết bị 3.1.3.Cấu trúc của khâu truyền thẳng Nhìn chung, kết quả của các lựa chọn thiết kế trước... học Thái Nguyên 42 http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 3: Thiết kế ứng dụng Hình 3.6 Các thí nghiệm với d . phần lớn các loại hình điều khiển chuyển động đ-ợc thực hiện bằng cách sử dụng các động cơ điện, và đây chính là điều quan tâm chính của chúng tôi trong thiết kế. Các hệ điều khiển chuyển động. trng i hc K thut Cụng nghip Thỏi Nguyờn, Tụi c giao ti: Thiết kế bộ điều khiển Learning FeedForward cho các hệ thống chuyển động điện cơ Lun vn phõn tớch cỏc quỏ trỡnh ng hc i tng thụng qua. Li núi u Điều khiển chuyển động (motion control) liên quan việc sử dụng lực để điều khiển sự di chuyển của đối t-ợng điều khiển trong một hệ thống cơ và đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng