điều khiển hệ thống có trễ áp dụng vào hệ quạt gió tấm phẳng luận văn thạc sĩ

1 LỜI MỞ ĐẦU 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 và tác động lực lên tấm phẳng. Nếu khoảng cách giữa quạt gió và tấm phẳng càng lớn thì thời gian trễ càng cao. Và học viên đã quyết định chọn hệ thống có trễ làm đối tượng nghiên cứu của mình, sau đó sẽ áp dụng vào mô hình thật là hệ quạt gió tấm phẳng, vì hệ quạt gió tấm phẳng 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. Ngoài ra luận văn cũng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển số có thể giao tiếp và chạy trong thời gian thực với máy tính sử dụng trực tiếp mô hình giải thuật từ MATLAB Simulink. Phương pháp này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống điều khiển vừa tận dụng thế mạnh tính toán của máy tính đồng thời giảm thiểu thời gian hiện thực chuyển hóa từ mô hình mô phỏng trên máy tính sang mô hình lập trình trên vi điều khiển. 2 Hình 0. 1: Mô hình quạt gió - tấm phẳng CHƯƠNG 1. TỔNG QUÁT 1.1. Đặt vấn đề 3 Bộ điều khiển PID thường được sử dụng phổ biến trong việc xử lý điều khiển công nghiệp. Các tham số của bộ điều khiển có thể được dò tìm theo luật (Ziegler & Nichols, 1942), hoặc theo công thức tìm được từ việc phân tích trong quá trình thiết kế (Åström & Hägglund, 1984). Bộ điều khiển PID dò tìm theo phương pháp cổ điển, tuy nhiên, nó không thể đưa ra đáp ứng vòng kín theo mong muốn khi đối tượng điều khiển có thêm khoảng thời gian trễ. Một kỹ thuật điều khiển rất hữu dụng cho những đối tượng này là phương pháp Smith Predictor. Bộ điều khiển này có thể được thiết kế nếu trong hệ thống có thành phần trễ. Tuy nhiên, những hiệu chỉnh của nó không có khả năng loại bỏ nhiễu ngõ ra bởi việc xử lý chỉ có bộ tích phân. Sau đó, Åström, Hang & Lim (1994) đã thực hiện sửa đổi cấu trúc điều khiển, kết hợp bộ tích phân và xử lý thời gian trễ. Cấu trúc này tách riêng đáp ứng có nhiễu ra khỏi đáp ứng được mong muốn, từ đó cải thiện đáp ứng ngõ ra. Về sau, Mataušek and Micić (1996) đã đưa ra một cấu trúc giống như của Åström và các đồng nghiệp (1994), nhưng nó có thêm phần hồi tiếp từ sự sai khác của ngõ ra đối tượng và ngõ ra mô hình, để làm tín hiệu ngõ vào tham khảo cho bộ xử lý tích phân. Gần đây, bởi sụ hạn chế của bộ điều khiển PID, bộ tích phân và các đối tượng không ổn định trong trúc hồi tiếp cổ điển được đưa ra nghiên cứu (Kwak, Sung & Lee, 1997; Park, Sung & Lee, 1998; Atherton & Majhi, 1999a). Các tham khảo này sử dụng vòng hồi tiếp bên trong để chuyển đổi bộ tích phân hoặc xử lý tính không ổn định; đầu tiên xử lý vòng hở ổn định và sau đó sử dụng bộ diều khiển PID trong vòng điều khiển, nhằm cải thiện đáp ứng ngõ ra. Do đó, nghiên cứu phương pháp điều khiển Smith Predictor là cần thiết để tiếp cận điều khiển các hệ thống có xuất hiện thành phần thời gian trễ. 1.2. Các công trình nghiên cứu liên quan 4 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 [11], [12], [13]. - 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. • Điều khiển thích nghi hệ thống phi tuyến không ổn định có trễ. Các tài liệu tham khảo số [7], [8], [9], [10]. - 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. • Sử dụng phương pháp Smith Predictor điều khiển hệ thống tuyến tính có trễ. Các tài liệu tham khảo số [14], [15], [16]. - 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. • Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính không ổn định có trễ. Các tài liệu tham khảo số [5], [6]. 5 - 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. Trong luận văn này, đề tài nghiên cứu được giới hạn ở hệ thống kiểu SISO. Phương pháp được sử dụng để điều khiển đối tượng có trễ là phương pháp Smith Predictor; so sánh với bộ điều khiển PID cổ điển. Ngoài ra các kiến thức mở rộng liên quan đến việc thực hiện đề tài là thiết kế card giao tiếp LPT dựa trên lập trình phần cứng CPLD, và nghiên cứu thực hiện giải thuật điều khiển trên Matlab Simulink chạy với thời gian thực. 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. Vì vậy học viên mong muốn sẽ thiết kế một bộ điều khiển cho đối tượng có trễ, cụ thể là hệ quạt gió tấm phẳng, với đáp ứng ngõ ra bám theo tín hiệu đặt mong muốn, và có thể chứng minh được rằng hệ thống với bộ điều khiển sẽ đảm bảo tính ổn định. Các nội dung chính của đề tài bao gồm: - Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống có trễ, tập trung vào hai phương pháp là: điều khiển hồi tiếp PID và phương pháp điều khiển Smith Predictor. - Áp dụng các phương pháp trên để thiết kế bộ điều khiển cho hệ quạt gió tấm phẳng. Chương trình điều khiển được viết trên Matlab, giao tiếp card điều khiển qua cổng LPT. Card điều khiển được thiết kế dựa trên việc lập trình CPLD trên thiết bị MAXII (hãng Altera). 1.3. Phạm vi nghiên cứu1.4. Tóm lược nội dung luận văn 6 - Trên cơ sở kết quả thu được từ mô phỏng và điều khiển thực nghiệm mô hình quạt gió tấm phẳng, ta 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. 7 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRỄ Thời gian trễ (time delay) đã là một yếu tố phổ biến trong các hê thống điều khiển, nó phải được khắc phục bất cứ khi nào chúng ta thực hiện giải thuật điều khiển vòng kín, nhằm mục đích kiểm soát hệ thống bất kỳ. Gần đây, sự gia tăng đa dạng của các ứng dụng kiểm soát càng tăng thêm tầm quan trọng hơn với các phương pháp để đối phó với thời gian trễ có trong hệ thống. Từ quan sát này, tôi xem xét một trong những chương trình tốt nhất được biết đến trong việc kiểm soát hệ thống với thời gian trễ. Chương trình đặc biệt được đề xuất bởi 0.J.M.Smith khoảng 50 năm trước đây, và vẫn còn thu hút nhiều sự chú ý về tính hữu dụng của nó. Từ quan điểm hiện tại, điều khiển mô hình nội bộ (IMC) có liên quan chặt chẽ đến việc kiểm soát dự báo Smith miễn là hệ thống thời gian trễ có liên quan. Sau khi nhìn thấy những công thức cơ bản của chương trình điều khiển hai cách riêng biệt, tôi tìm hiểu về tính tương đương giữa chúng. Thảo luận về chủ đề liên quan theo trên cơ sở công nhận tương đương. Hệ thống SISO là đối tượng chính được đề cập trong luận văn này, và các hệ thống MIMO cũng được thảo luận đối với trường hợp trong đó có một vấn đề đặc thù của hệ thống MIMO. 2.2.1. Phương pháp Smith Predictor Điều khiển theo phương pháp Smith Predictor là một phương pháp điều khiển hồi tiếp có một vòng nhỏ như trong hình 2.1, G biểu diễn mô hình đối tượng bỏ qua thời gian trễ. L là hằng số đặc trưng cho thời gian trễ. G % và L % tương ứng là mô hình lý thuyết của G và L, có được thông qua quá trình xử lý mô hình đối tượng. S C biểu thị một chức năng hợp lý đặc trưng cho bù được gọi là bộ điều khiển chính. Vòng nhỏ làm việc để loại bỏ thành phần trễ thực tế tại ngõ ra của đối tượng, cũng như dự đoán ngõ ra để đưa về bộ điều khiển. Điều này làm cho nó có thể thiết kế các bộ điều khiển chính được giả sử như không có thời gian trễ trong vòng điều 2.1. Giới thiệu 2.2. Cơ sở lý thuyết 8 khiển. Trong trường hợp này, bộ điều khiển PID có thể được áp dụng thành công cùng với các kỹ thuật điều chỉnh cổ điển. Trong trường hợp G G = % và L L= % , ngõ ra y phụ thuộc vào các ngõ vào tham khảo và nhiễu d như sau: ( ) 1 (2.1) 1 1 1 Ls Ls Ls Ls S S S S S GC GC e Ge y e r d G e d GC GC GC − − − − = + + − + + + Các cực vòng kín là hữu hạn bởi hàm ở mẫu số 1 S GC+ là một hàm hữu tỷ. Nên để ý rằng nhưng đáp ứng nhiễu ở ngõ ra sẽ phụ thuộc trực tiếp vào các cực của hàm G, thành phần này nằm ngoài vòng điều khiển. Vấn đề này sẽ được thảo luận sau. Hình 2.2 là một sơ đồ tương đương của Smith chương trình kiểm soát dự báo, trong đó có thể được thuận tiện hơn để sử dụng thực tế. S C Ls Ge − Ls Ge − % % r + + d + + - - Controller Model Plant y Hình 2. 1: Mô hình Smith Predictor Hình 2. 2: Mô hình Smith Predictor tương đương 9 2.2.2. Internal Model Control (IMC) Phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) là một phương pháp kết hợp chặt trong mô hình đối tượng, như trong hình 2.3. G, L, G % và L % đều giống như đã nêu tại mục 2.2.1 IMC C biểu diễn một hàm chuyển đổi, được chọn từ thích hợp từ các hàm hữu tỉ như thông số thiết kế. Giả sử đối tượng xử lý một cách hoàn hảo như mô hình của nó, tức là, Ls Ls Ge Ge − − = % % . Khi đó ngõ ra ra y chỉ đơn giản là liên quan đến các yếu tố đầu vào r, d như ( ) 1 (2.2) Ls Ls IMC IMC y GC e r GC Ge d − − = + − Có thể thấy rằng sự ổn định nội bộ luôn được đảm bảo như là tham số ổn định IMC C được sử dụng để điều khiển một đối tượng ổn định. Một thủ tục thiết kế của IMC: Giả sử G G = % , L L= % , và G là tối thiểu giai đoạn chuyển đổi. Sau đó, một sự lựa chọn đơn giản của các tham số thiết kế: ( ) ( ) 1 . (2.3) IMC C G s F s − = % Ở đây, F là một hàm hữu tỉ với F (0) = 1, gọi là bộ lọc IMC, lựa chọn để làm cho IMC C thích hợp. Một sự lựa chọn đơn giản của F như sau. ( ) ( ) 1 (2.4) 1 n F s s λ = + Hình 2. 3: Internal Modek Control 10 Ở đây, λ là số thực dương, và n là một số nguyên dương, cả hai được lựa chọn phù hợp. Kết quả đặc tính ở ngõ ra là: ( ) 1 (2.5) Ls Ls Ls y Fe r Ge Fe d − − − = + − Lưu ý rằng việc dò tìm thời gian trễ chính xác được thực hiện bằng cách cho F = 1. 2.2.3. Kết hợp Smith Predictor và IMC So với sơ đồ khối hình 2.1 và hình 2.3 với nhau, ta có thể thấy một yếu tố phổ biến trong các chương trình Smith và chương trình IMC. Cả hai kết hợp mô hình đối tượng để bỏ đi các động học của đối tượng. Dựa trên sơ đồ khối tương đương của hình 2.4, ta có thể tìm thấy một công thức để chuyển đổi khác như sau: (2.6) 1 S IMC S C C C G = + % (2.7) 1 IMC S IMC C C C G = − % Bộ điều khiển Smith Predictor có cấu trúc IMC, IMC C trong này được biễu hiện bởi tham số S C như sau / (1 ) IMC S S C C C G = + % ,và được thiết kế nếu như cấu trúc hồi tiếp cổ điển được xem xét. 2.2.4. Smith Predictor sử dụng bộ PID Ingimundarson và Hägglund (2002) trình bày một bài báo thú vị cho thấy rằng hiệu suất của bộ điều khiển Smith Predictor (hình 2.5b) là kém hơn một bộ Hình 2. 4: Kết hợp Smith Predictor và IMC [...]... bộ điều khiển cho hệ thống quạt gió- tấm phẳng được sử dụng trong luận văn này 15 3.1 Mô hình hóa hệ thống quạt gió tấm phẳng CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG QUẠT GIÓ TẤM PHẲNG 3.1.1 Mô tả cấu tạo phần cứng Hình 3 1: Mô hình quạt gió cánh phẳng Hệ thống gồm 1 quạt (Fan) và 1 tấm phẳng (Plate) nhẹ có khả năng xoay quanh trục cố định như hình, quạt có cấu tạo là động cơ DC 24V Thời gian trễ. .. về các bộ điều khiển cho hệ thống có trễ, ta tiến hành mô hình hóa đối tượng quạt gió tấm phẳng nhằm mục đích xây dựng sơ đồ Simulink và kiểm tra chất lượng của các bộ điều khiển bằng phương pháp mô phỏng Hình 3 2: Phân tích hệ thống quạt gió và tấm phẳng Xét hệ thống quạt gió tấm phẳng với các thông số vật lý như sau: Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa vật lý M kg Khối lượng tấm phẳng l m Chiều dài tấm phẳng A... Phương pháp điều khiển Hai phương pháp điều khiển cho hệ thống có trễ được tìm hiểu và nghiên cứu là: - Điều khiển hồi tiếp PID - Phương pháp điều khiển Smith Predictor 19 3.2.1.1 Điều khiển hồi tiếp PID Trong mô hình quạt gió tấm phẳng, biến quá trình (process variable) là góc quay của tấm phẳng Mục tiêu là góc quay tấm phẳng sẽ đạt được như giá trị đã thiết lập (set point) Để đạt được điều này ta điều. .. của hệ thống chính là khoảng thời gian mà luồng gió cần để di chuyển từ quạt đến tấm phẳng Quạt gió tấm phẳng là hệ thống có tính trễ cao, thời gian trễ lớn, là hiệu thống tiêu biểu cho các đối tượng có trễ 16 Góc quay của tấm phẳng được xác định thông qua increment encoder, trục encoder trùng với trục quay của tấm phẳng Như vậy, với số xung đọc được, ta có thể tính được góc nghiêng hiện tại của tấm. .. vấn đề trễ do tín hiệu điều khiển bị lan truyền một thời gian (dead-time hoặc transport lag) mới tác động tới hệ thống là vấn đề phổ biến trong các hệ thống điều khiển Hê thống phản hồi sẽ cũng phải được làm trễ đi để bộ điều khiển có thể đưa ra giá trị điều khiển chính xác cho hệ thống Đối với bộ điều khiển PID kinh điển, ta phải giảm hệ số tỉ lệ để đảm bảo sự ổn định của hệ thống Tuy nhiên điều này... bộ điều khiển PID tùy theo đặc điểm của đối tượng Cách 1: Dựa vào áp ứng quá độ của hệ hở, áp dụng cho các đối tượng có áp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S Ví dụ như lò nhiệt, động cơ… Hình 3 4: áp ứng nấc của đối tượng Cách 2: Dựa vào áp ứng quá độ của hệ kín, áp dụng cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng Ví dụ như mực chất lỏng, hệ truyền động dùng động cơ như quạt gió tấm. .. Với hệ thống quạt gió tấm phẳng thì q chính là góc nghiêng θ Xét các thành phần sau : Động năng của tấm phẳng : T = 1 & Jθ2 2 (3.3) Chọn gốc thế năng tại O (trục quay của tấm phẳng) , ta có thế năng của tấm phẳng : U =− 1 Mgl cos θ 2 (3.4) Hàm Lagrange : L = T −U = 1 & 1 J θ 2 + Mgl cos θ 2 2 (3.5) Năng lượng tiêu hao : P= 1 & bθ2 2 (3.6) 18 3.2 Xây dựng bộ điều khiển ứng dụng trong mô hình quạt gió tấm. .. được điều khiển trở thành: Kc = τl K pλ (2.15) và thời gian còn lại τ l chỉ đơn giản là thiết lập để: 14 2.3 Tóm tắt τl = τ (2.16) Với một hệ thống có tính chất trễ, việc điều khiển trở nên rất phức tạp Nó phụ thuộc vào thời gian trễ của hệ thống Với những hệ thống có thời gian trễ ngắn, thì việc thiết kế các bộ điều khiển phức tạp tốn nhiều thời gian và công sức; khi đó tùy yêu cầu cụ thể ta có thể... tác động lên tấm phẳng như sau : F = K f ( t − τ ) A.l.cos θ (3.12) Với K f ( t − τ ) là một hàm áp suất tác động lên tấm phẳng, tỉ lệ với tốc độ 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 = K f ( t − τ ) A.l cos θ 2 (3.13) Như vậy ta đã mô hình hóa được đối tượng quạt gió và tấm phẳng Tiếp theo ta xây dựng bộ điều khiển cho đối... như quạt gió tấm phẳng Tăng dần giá trị hệ số khuếch đại K của hệ đến giá trị 22 giới hạn K gh , khi đó áp ứng của hệ kín ở trạng thái xác lập là đao động ổn định với Tg h chu kỳ Hình 3 5: áp ứng dao động của đối tượng Đối với hệ quạt gió tấm phẳng ta sẽ chọn phương pháp Zeigler-Nichols cách thứ hai Chi tiết các hệ số sẽ được khảo sát ở phần sau của luận văn 3.2.1.2 Phương pháp điều khiển Smith Predictor . luồng gió cần để di chuyển từ quạt đến tấm phẳng. Quạt gió tấm phẳng là hệ thống có tính trễ cao, thời gian trễ lớn, là hiệu thống tiêu biểu cho các đối tượng có trễ. 3.1. Mô hình hóa hệ thống quạt. tập trung vào hai phương pháp là: điều khiển hồi tiếp PID và phương pháp điều khiển Smith Predictor. - Áp dụng các phương pháp trên để thiết kế bộ điều khiển cho hệ quạt gió tấm phẳng. Chương trình điều. vì hệ quạt gió tấm phẳng 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