ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lượng hệ truyền động tháo - quấn băng vật liệu giấy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN ĐẠI TRIÊM ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG THÁO - QUẤN BĂNG VẬT LIỆU GIẤY Chuyên ngành : Tự Động Hóa TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - i - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần đây lý thuyết điều khiển hiện đại đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế trong đó có điều khiển thích nghi. Đặc biệt là điều khiển thích nghi cho các hệ phi tuyến. Trong quá trình mô tả ngƣời ta thƣờng đƣa ra các giả thiết nhƣ bỏ qua khâu động khó mô hình hoặc coi tham số không đổi theo thời gian. Tuy nhiên trong thực tế các giả thiết đó không đáp ứng đƣợc, vì vậy hệ điều khiển thích nghi (ĐKTN) là không bền vững. Để ứng dụng ĐKTN điều khiển các hệ thực trong thực tế, việc nâng cao tính bền vững cho hệ ĐKTN là một yêu cầu rất cần thiết. Với nội dung “Ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lƣợng hệ truyền động tháo- quấn băng vật liệu giấy”. Luận văn của tôi gồm các phần sau: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững. Chương 2: Lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững. Chương 3:Tổng hợp hệ điều khiển hệ điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lượng hệ truyền động tho- quấn băng vật liệu giấy. Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc; cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp. Đến nay luận văn đã hoàn thành. Qua đây tôi xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô trong khoa Điện trƣờng ĐH Kỹ Thuật Công nghiêp - ĐH Thái Nguyên; Ban Giám Hiệu cùng toàn thể giáo viên khoa Điện trƣờng Trung cấp Nghề Thừa Thiên Huế đã nhiệt tình giúp đỡ hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi tốt nhất. Đặc biệt xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Trần Xuân Minh, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tận tình, chỉ bả o cặ n kẽ để tôi hoà n thà nh luậ n văn nà y trong suốt thời gian qua. Tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này. Mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chƣa Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - ii - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vì thế, tác giả rất mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2011 Học viên Nguyễn Đại Triêm Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - iii - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Đại Triêm Sinh ngày 30 tháng 12 năm 1963 Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại khoa Điện trƣờng Trung cấp nghề Thừa Thiên Huế. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn, không sao chép của ngƣời khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Đại Triêm Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - iv - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang Trang bìa phụ LỜI NÓI ĐẦU i LƠI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MUC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: Tổng quan về lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững 3 1.1. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi 3 1.1.1. Lịch sử phát triển của hệ ĐKTN 3 1.1.2. Định nghĩa và cấu trúc của hệ ĐKTN 5 1.1.2.1. Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuếch đại 7 1.1.2.2. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 7 1.1.2.3. Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh 8 1.1.3. Hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC . 9 1.1.3.1. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp . 10 1.1.3.2. Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 11 1.1.4. Những nhƣợc điểm của hệ ĐKTN và hƣớng khắc phục 13 1.2. Những vấn đề chung về hệ điều khiển bền vững 15 1.2.1. Định nghĩa 15 1.2.2. Mô hình mô tả hệ phi tuyến 15 1.2.3.Điều khiển bền vững đối với hệ phi tuyến 22 1.3. Hệ điều khiển thích nghi bền vững 24 1.4. Kết luận 26 Chƣơng 2: Lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững . 27 2.1. Các luật thích nghi bền vững 27 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - v - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.1 Tín hiệu chuẩn hoá (m) 27 2.1.2. Phƣơng pháp thay đổi thành phần tích phân của luật thích nghi 27 2.2. Hệ MRAC bền vững trực tiếp với các luật thích nghi chuẩn hóa 30 2.3. Hệ MRAC bền vững gián tiếp 38 2.4. Kết luận 40 Chƣơng 3: Tổng hợp hệ ĐKTNBV nâng cao chất lƣợng hệ truyền động tháo- quấn băng vật liệu giấy 41 3.1. Đặt vấn đề 41 3.1.1. Hệ thống truyền động tháo- quấn băng vật liệu 42 3.1.2. Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo- quấn băng vật liệu 42 3.1.3. Mô hình phi tuyến của hệ thống tháo và quấn băng vật liệu 48 3.2. Tổng hợp hệ thống 58 3.2.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 58 3.2.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ thích nghi bền vững 60 3.2.3. Tính toán thông số sơ đồ 64 3.3. Đánh giá chất lƣợng của hệ 66 3.3.1. Mô phỏng hệ thống 66 3.3.2. Kết quả mô phỏng 71 3.4. Kết luận 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - vi - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨA ĐKTN Điều khiển thích nghi ĐKTNBV Điều khiển thích nghi bền vững MRAC Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu STR Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh DSTR Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp ISTR Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh gián tiếp APPC Adaptive Pole Placement Control - Điều khiển vị trí thích ứng SISO Single Input – Single Output - Đầu vào đơn - Đầu ra đơn STR Self Tuning Regualator MRAC Model Referance Adaptive Control - Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MIT Massachusetts Institute of Technology- Viện Công nghệ Massachusetts x(t) Véc tơ trạng thái của hệ y(t) Tín hiệu u(t) Tín hiệu điều khiển X m , X s Các véc tơ trạng thái của mô hình mẫu và quá trình A m , B m Ma trận hằng của mô hình mẫu A S (t), B S (t) Các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động của nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống V(.) Hàm Lyapunov θ m , θ s Tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng  ˆ Véc tơ tham số xấp xỉ  ~ Sai lệch giữa véc tơ tham số xấp xỉ và véc tơ tham số  Ma trận chỉnh định thích nghi Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - vii - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Tên các bảng Trang Bảng 3.1: Tổng hợp phƣơng trình toán học mô tả hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 53 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên các hình vẽ Trang Hình 1.1 Câu trúc chung của hệ điều khiển thich nghi 5 Hình 1.2 Hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuyếch đại 7 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC 7 Hình 1.4 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR 8 Hình 1.5 Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR 9 Hình 1.6 Sơ đồ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 10 Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 11 Hình 1.8 Sơ đồ mô tả sai lệch giữa mô hình và đối tƣợng 16 Hình 1.9 Sơ đồ mô tả sai lệch cộng 20 Hình 1.10 Sơ đồ mô tả sai lệch nhân 21 Hình 1.11 Sơ đồ mô tả sai lệch số 22 Hình 1.12 Hệ thống điều khiển tổng quát 23 Hình 2.1 Sơ đồ MRAC bền vững trực tiếp 36 Hình 3.1 Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình 41 Hình 3.2 Cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy 42 Hình 3.3 Cấu trúc khâu tháo quấn băng giấy (Unwind) 43 Hình 3.4 Cấu trúc khâu xử lý băng giấy 43 Hình 3.5 Cấu trúc khâu quấn lại băng giấy (Rewind) 44 Hình 3.6 Quá trình hoạt động và điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 47 Hình 3.7 Khảo sát hệ thống tháo – quấn băng vật liệu điển hình 48 Hình 3.8 Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên về tốc độ, mômen của các động cơ 55 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - viii - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn truyền động cho các con lăn và sự biến thiên bán kính của các tang quay trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu Hình 3.9 Quy luật thay đổi tốc độ động cơ 56 Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc của MRAC bền vững trực tiếp có sai lệch mô hình và có nhiễu giới hạn 57 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 59 Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện thu gọn 59 Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 60 Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ thống 67 Hình 3.15 Mô đun đối tƣợng điều khiển 68 Hình 3.16 Khối vectơ tín hiệu lọc 68 Hình 3.17 Véc tơ tham số  của bộ điều khiển 69 Hình 3.18 Khối mô đun chuẩn hoá 69 Hình 3.19 Mô đun điều khiển U p 70 Hình 3.20 Luật đánh giá vectơ tham số  p của đối tƣợng 70 Hình 3.21 Đặc tính ra của hệ khi r không đổi và Mc có dạng xung 71 Hình 3.22 Đặc tính ra của hệ khi r không đổi và Mc bất kỳ 72 Hình 3.23 Đặc tính ra của hệ khi r thay đổi và Mc có dạng xung 73 Hình 3.24 Đặc tính ra của hệ khi r thay đổi và Mc bất kỳ 74 Hình 3.25 Đặc tính ra của hệ khi r thay đổi và Mc biến thiên ngẫu nhiên tăng dần 75 Hình 3.26 Đặc tính ra của hệ khi r thay đổi và Mc biến thiên 76 Hình 3.27 Đặc tính ra của hệ khi r thay đổi và Mc biến thiên tăng dần 77 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Luận văn tập trung nghiên cứu, ứng dụng hệ điều khiển thích nghi bền vững điều khiển hệ phi tuyến nói chung và hệ truyền động tháo- quấn băng vật liệu giấy nói riêng, thoả mãn tính thích nghi đối với sự thay đổi các tham số theo thời gian và bền vững đối với sai lệch của mô hình và nhiễu. Mục tiêu của luận văn là xây dựng hệ điều khiển thích nghi bền vững sau đó ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi và bền vững nâng cao chất lƣợng hệ truyền động quấn băng vật liệu giấy. 2. Tính cần thiết của luận văn Đối với các hệ tuyến tính, ĐKTN nói chung là thoả mãn đƣợc các yêu cầu đặt ra về chất lƣợng điều chỉnh. Nhƣng các hệ thống cần đƣợc điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến có chứa các tham số không biết trƣớc và thay đổi theo thời gian, về cấu trúc đối tƣợng có phần động học không thể hoặc rất khó mô hình hoá. Ngoài ra trong quá trình làm việc hệ còn chịu nhiễu tác động Vì vậy khi thiết kế hệ điều khiển thích nghi cho hệ phi tuyến thƣờng phải chấp nhận các giả thiết sau: - Đối tƣợng không có phần tử không mô hình hoá đƣợc. - Các tham số chƣa biết không biến thiên theo thời gian. - Trong qua trình làm việc hệ không chịu nhiễu tác động. Trong thực tế các giả thiết trên là không thể thoả mãn vì trong quá trình làm việc hệ luôn chịu tác động của nhiễu, mô hình có phần không mô hình hoá đƣợc, sai số trong việc xác định tín hiệu vào ra Vì vậy sử dụng hệ ĐKTN cho đối tƣợng này hệ sẽ không bền vững. Nhƣ vậy ngoài các ƣu điểm mà hệ ĐKTN có đƣợc thì nhƣợc điểm cơ bản của ĐKTN là không bền vững khi điều khiển các đối tƣợng phi tuyến và chịu nhiễu tác động. Để hệ ĐKTN đƣợc ứng dụng vào hệ điều khiển quấn băng vật liệu giấy, cần phải tìm những biện pháp hạn chế các nhƣợc điểm trên. Vì lý do trên, việc nghiên cứu nâng cao tính bền vững của hệ ĐKTN cho hệ điều khiển quấn băng vật liệu giấy là rất cần thiết và cần tập trung nghiên cứu . [...]... pháp mô tả; khái niệm về Điều khiển bền vững sau đó đi tìm hiểu hệ điều khiển thích nghi bền vững Chƣơng 2: Lý thuyết hệ điều khiển thích nghi bền vững Nội dung của chƣơng tập trung nghi n cứu những luật điều khiển thích nghi bền vững; Tìm hiểu hệ điều khiển thích nghi bền vững từ đó lựa chọn phƣơng pháp điều khiển cho hệ thống quấn băng vật liệu giấy: Hệ điều khiển thích nghi bền vững trực tiếp theo mô... luật điều khiển bền vững để ứng dụng vào tổng hợp sơ đồ điều khiển thích nghi Luận văn tập trung giải quyết theo hƣớng sử dụng các luật thích nghi bền vững để ứng dụng cho các sơ đồ thích nghi với các luật điều khiển thông thƣờng, sau đó ứng dụng nâng cao chất lƣợng hệ truyền động quấn băng vật liệu giấy Để điều khiển hệ truyền động quấn băng vật liệu giấy ở đây ta ứng dụng hệ ĐKTN bền vững trực tiếp... khiển thích nghi vào điều khiển các hệ thực cần tìm biện pháp nâng cao tính bền vững của hệ bằng điều khiển thích nghi bền vững kết hợp với các hƣớng sau: - Sử dụng luật điều khiển thông thƣờng kết hợp với bộ đánh giá bền vững; - Sử dụng luật điều khiển bền vững 1.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG 1.2.1 Định nghĩa - Định nghĩa 1: Một hệ thống đƣợc gọi là bền vững nếu chất lƣợng E của hệ. .. là chọn giá trị thích hợp của bộ điều khiển tƣơng ứng với các trạng thái làm việc của đối tƣợng Hệ điều khiển thích nghi có 3 sơ đồ chính sau đây: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa -7 - - Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuếch đại; - Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu; - Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh... luật điều khiển và luật thích nghi (luật đánh giá tham số) Bài toán nâng cao tính bền vững của hệ điều khiển thích nghi cũng đi theo hai hƣớng sau: - Hƣớng 1: Tìm các bộ đánh giá tham số đặc biệt (luật thích nghi bền vững) để đạt đƣợc tính bền vững của hệ - Hƣớng 2: Tìm các luật điều khiển bền vững để ứng dụng vào tổng hợp sơ đồ điều khiển thích nghi Nguyên nhân chủ yếu của sự mất ổn định là do luật thích. .. hợp hệ điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lƣợng hệ truyền động quấn băng vật liệu giấy Nội dung của chƣơng gồm: Đặt vấn đề (chọn đối tƣợng điều khiển, mô tả đối tƣợng) Tổng hợp hệ thống Mô phỏng để kiểm tra đánh giá chất lƣợng của hệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -3 - Chuyên ngành: Tự động hóa CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN... thuật -2 - Chuyên ngành: Tự động hóa 3 Nội dung của luận văn Hệ điều khiển thích nghi điển hình bao gồm hai phần chính: luật điều khiển và luật thích nghi (luật đánh giá tham số) Bài toán nâng cao tính bền vững của hệ điều khiển thích nghi cũng đi theo hai hƣớng sau: - Hƣớng 1: Tìm các bộ đánh giá tham số đặc biệt (luật thích nghi bền vững) để đạt đƣợc tính bền vững của hệ - Hƣớng 2: Tìm các luật điều khiển. .. thích nghi gây nên Vì vậy luận văn tập trung giải quyết theo hƣớng sử dụng các luật thích nghi bền vững để ứng dụng cho các sơ đồ thích nghi với các luật điều khiển thông thƣờng 2.1 CÁC LUẬT THÍCH NGHI BỀN VỮNG Các luật thích nghi làm cho hệ bền vững đối với các sai lệch mô hình và nhiễu đƣợc gọi là luật thích nghi bền vững Các luật thích nghi bền vững đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở cải tiến các luật thích. .. sau: + Điều khiển bền vững + Điều khiển thích nghi + Điều khiển thích nghi bền vững * Điều khiển bền vững Mục đích của thiết bị điều khiển là đạt đƣợc các tính năng theo yêu cầu Để đạt đƣợc mục đích đó bộ điều khiển phải thiết kế sao cho có tính bền vững đối với một lớp đặc tính không xác định mà chắc chắn sẽ gặp trong thực tế Nói cách khác là bộ điều khiển bền vững đảm bảo tính ổn định của hệ kín... còn phần bền vững sẽ đảm bảo cho hệ ổn định với một lớp các mô hình tức là khắc phục đƣợc các sai lệch về mô hình Nhƣ vậy hệ ĐKTNBV đã tận dụng đƣợc ƣu điểm của cả hai phƣơng pháp để điều khiển hệ thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 27 - Chuyên ngành: Tự động hóa CHƢƠNG 2 LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG Hệ điều khiển thích nghi điển . luận văn là xây dựng hệ điều khiển thích nghi bền vững sau đó ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi và bền vững nâng cao chất lƣợng hệ truyền động quấn băng vật liệu giấy. 2. Tính cần thiết. quấn băng vật liệu giấy: Hệ điều khiển thích nghi bền vững trực tiếp theo mô hình mẫu. Chƣơng 3: Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lƣợng hệ truyền động quấn băng vật liệu. khiển thích nghi bền vững. Chương 3:Tổng hợp hệ điều khiển hệ điều khiển thích nghi bền vững nâng cao chất lượng hệ truyền động tho- quấn băng vật liệu giấy. Sau một thời gian làm nghi n cứu