sử dụng phương pháp điều khiển hiện đại nâng cao chất lượng hệ điều khiển vị trí

1.3 CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ ĐKCĐ 1.3.1 Đặt vấn đề Khi thiết kế hệ ĐKCĐ mà trong đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, cần phải đảm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

***

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -o0o -

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NÂNG

CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

Chuyên ngành : Tự động hoá Người hướng dẫn TS Võ Quang Vinh Ngày giao đề tài : 11/2010

Ngày hoàn thành đề tài : 08/2011

TS Võ Quang Vinh

Vũ Hưng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu của luận văn này là của riêng tôi, chưa có trong tài liệu nào khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Vũ Hưng

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 8

LỜI NÓI ĐẦU 10

CHƢ ƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG 12

1.1 Sơ lược về sự phát triển hệ điều khiển chuyển động (ĐKCĐ) 12

1.2 Cấu trúc, phân loại và đặc điểm hệ ĐKCĐ 12

1.2.1 Cấu trúc hệ điều khiển chuyển động 12

1.2.2 Phân loại hệ ĐKCĐ 14

1.2.3 Đặc điểm của hệ điều khiển chuyển động 14

1.3 Các vấn đề nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển của hệ ĐKCĐ 14

1.3.1 Đặt vấn đề 14

1.3.2 Hệ truyền dộng điện 15

1.3.3 Các thiết bị đo lường 18

1.3.4 Các bộ điều khiển 18

1.3.5 Các phương pháp điều khiển 19

1.3.5.1 Phân tích sai số điều khiển 19

2 Sai số do các lượng nhiễu loạn khác 20

3 Chọn thuật điều khiển 21

1.4 Một số phương pháp nâng cao chất lượng chuyển động 22

1.4.1.Phương pháp điều khiển mờ 22

1.4.1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 23

1.4.1.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh: 26

1.4.1.3 Bộ diều khiển mờ động 26

1.4.2 Hệ điều khiển mờ lai F - PID 29

1.4.4 Hệ điều khiển mờ trượt 31

1.4.4.1 Nguyên lý điều khiển trượt 31

1.4.5.2 Điều khiển mờ trượt 33

CHƯƠNG II : XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỔNG HỢP MỜ TRƯỢT CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN 36

2.1 Tổng hợp bộ điều khiển trượt mờ 36

2.1.1 Phương pháp điều khiển trượt 36

2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững 39

2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bền vững 44

2.1.4.Thiết kế luật điều khiển trượt 45

2.1.5 Cơ sở hệ điều khiển trượt mờ từ điều khiển trượt kinh điển 46

2.1.6 Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt 48

CHƯƠNG III : ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 50

3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 51

3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 51

3.1.2 Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 57

3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc 59

3.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 59

3.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R 59

3.1.5.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI 60

3.1.5.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R 62

3.1.5.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí 64

3.1.5.3.1 Sơ đồ cấu trúc của trúc hệ thống điều chỉnh vị trí 64

3.1.5.3.2 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 66

3.2 Mô phỏng hệ thống truyền động với các bộ điều khiển PID 69

3.2.1.Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ một chiều kích từ độc lập 69

3.2.2 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID 72

3.3.Xây dựng bộ điều khiển trượt mờ cho mạch vòng vị trí 74

3.4 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển trượt mờ 77

3.5 Nhận xét và kết luận: 80

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1.1 Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện với các nhiễu 17

1.7 Vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID 26 1.8 Đối tượng điều khiển gồm 2 khâu tích phân 28

2.1 Phân tích hệ có khâu phi tuyến hai vị trí và không bị

kích thích bằng phương pháp mặt phẳng pha 32 2.2 Giải thích hiện tượng trượt (sliding) hay còn gọi là

2.5 Cơ sở hệ điều khiển mờ trượt từ điều khiển kinh điển 42 3.1 Hệ thống điều khiển Thyristor - động cơ 46 3.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 47

3.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 50

3.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 52

3.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ

3.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 55 3.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 56 3.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 57 3.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 58 3.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 60 3.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí 62

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới, công nghiệp hoá hiện đại hoá cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điện tử là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá Hệ truyền động động cơ là bộ phận quan trọng không thể thiếu được trong mọi quá trình tự động hoá Hệ thống nào có chuyển động cơ học ( dây chuyền sản xuất, người máy…) thì hệ thống đó động cơ điện làm khâu trung gian để chuyển hoá điện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết Việc điều khiển chính xác dòng cơ năng tạo nên các chuyển động phức tạp của dây chuyền công nghệ là nhiệm vụ của hệ thống truyền động động cơ Một trong những vấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độ của động cơ truyền động được sử dụng rất rộng rãi do nó có rất nhiều ưu điểm nổi bật với kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin phát triển Việc thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp kinh điển phụ thuộc vào mô hình toán học của hệ, việc mô tả hệ thống càng chính xác thì kết quả điều khiển càng có chất lượng cao Tuy nhiên việc xây dựng mô hình toá học của hệ thống rất khó khi không biết trước sự thay đổi của tải, thay đổi của thông số, nhiễu hệ thống…

Trong những năm gần đây một ngành khoa học mới đã được hình thành

và phát triển mạnh mẽ đó là điều khiển logic mờ mà công cụ toán học của nó chính

là lý thuyết tập mờ của Jadeh Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào sự chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không

cần thiết hoặc không thể có được, điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “ không rõ ràng hay không đầy đủ” những thông tin mà sự chính xác của nó chỉ

nhận thấy được giữa các quan hệ của chúng với nhau và cũng chỉ có thể mô tả được bằng ngôn ngữ, đã cho ra những quyết định chính xác Chính khả năng này đã làm cho điều khiển mờ chụp được phương thức xử lý thông tin và điều khiển của con người, đã giải quyết thành công các bài toán phức tạp

Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp em đã đi vào nghiên cứu thuật toán điều khiển mờ và ứng dụng điều khiển mờ trượt điều khiển tốc độ động cơ Tùy theo từng đối tượng mà áp dụng các luật điều khiển khác nhau, tuy nhiên các bộ điều khiển này đều có ưu điểm của bộ điều khiển mờ căn bản, nhưng chúng được tập hợp đơn giản, dễ hiểu, làm việc ổn định, có đặc tính động học tốt ngay cả khi thông tin của đối tượng không đầy đủ hoặc không chính xác Một số còn không chịu ảnh hưởng của nhiễu cũng như sự thay đổi theo thời gian của đối tượng điều khiển

Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đến nay bản luận văn của em đã hoàn thành với kết quả tốt Thành công này phải kể đến sự giúp đỡ tận tình của các thày cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Đặc biệt là Thầy

TS Võ Quang Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn em, đã hết lòng ủng hộ và cung

cấp cho em những kiến thức hết sức quý báu Em xin dành cho thầy lời cảm ơn sâu sắc

Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế có hạn nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được các ý kiến chỉ bảo của các thày cô giáo và của bạn bè đồng nghiệp để bản luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 8 năm 2011 Học viên

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

1.1 SƠ LƯỢC VỀ SỰ PHÁT TRIỂN HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG (ĐKCĐ)

Điều khiển chuyển động ( Motion Cotrol ) là tập hợp các tri thức thuộc lĩnh vực điều khiển và phối hợp nhiều hệ truyền động tạo thành các chuyển động đã định theo yêu cầu công nghệ

Các hệ ĐKCĐ có lịch sử xây dựng, phát triển qua nhiều giai đoạn gắn chặt với nền sản xuất công nghiệp và sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật Có thể chia

ra thành một số thời kỳ chính như sau:

Thời kỳ trước những năm 1915 là giai đoạn sơ khai, nên cấu trúc hệ điều khiển chuyển động còn rất đơn giản Từ năm 1930 đến năm 1960 bắt đầu hình thành các

bộ điều khiển cho động cơ điện và các ứng dụng của nó vào các máy chép hình, các máy điều khiển theo chương trình bìa đục lỗ hoặc băng từ và các mục đích khác Thời kỳ 1960 đến 1970 là ứng dụng của điện tử công nghiệp vào ĐKCĐ phục vụ cho các dây truyền tiên tiến Từ năm 1970 đến các năm 1980 là thời kỳ của tự động hoá công nghiệp cho nên các hệ ĐKCĐ đã có đóng góp rất lớn vào năng suất, chất lượng và hiệu quả của nền sản xuất Giai đoạn từ 1980 đến 1990 đến nay là ứng dụng Cơ - Điện tử bậc cao ( Super - Mechatrononaes ) cho hệ ĐKCĐ

1.2 CẤU TRÚC , PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM HỆ ĐKCĐ

1.2.1 Cấu trúc hệ điều khiển chuyển động

Hệ thống ĐKCĐ thường bao gồm 6 phần:

1 Nguồn năng lượng điện với điện áp và tần số ổn định

2 Hệ thống điều khiển SERVO một chiều, xoay chiều tương tự, SERVO số và nối mạng ( Network SERVO ) theo hệ kín cấu trúc nhiều vòng được sử dụng các liên hệ phản hồi cơ điện thích hợp trong từng mạch vòng

3 Bộ biến đổi diều khiển ( Drives ) có điện áp thay đổi hoặc cả điện áp và tần số thay đổi nó thường có 3 loại như:

a, Được sử dụng chung với dải công suất từ 0,1 đến 1200W

b, Loại dùng cho hệ thống riêng với dải công suất từ 0,4 đến 2500 kW

C, Loại dùng cho các hệ thống đặc biệt có dải công suất từ 0,4 đến 370kW

Cấp điện áp thường dùng được sử dụng là 100V, 200V, 400V và 575 V và tần số /400 Hz Các bộ biến đã được cấu tạo từ Tiristo, đến Tranzisto, đến các bộ điều khiển vecto và hiện nay là các bộ điều khiển tiết kiệm sản lượng với hiệu suất cao

4 Động cơ điện gồm các loại một chiều, xoay chiều với dải công suất nhỏ từ 0,003 đến 0.75kW, loại trung bình từ 0,75 đến 15 kW, loại lớn từ 15 kW trở lên đến

55 kW, điện áp 24V, 48 V một chiều hoặc 100V, 200V, 400V xoay chiều, động cơ tuyến tính có lực kéo từ 140N đến 6000N và động cơ bước thay đổi trong giới hạn

Ba lĩnh vực chủ yếu liên quan đến sự phát triển của hê ĐKCĐ đó là: Điện tử công suất ( bao gồm cả các thiết bị và mạch điện ), máy điện ( chủ yếu là các loại động cơ điện ) và kỹ thuật điều khiển ( bao gồm cả kỹ thuật xử lý tín hiệu ) Khó có thể nói lĩnh vực nào quan trọng hơn Tuy vậy, sự đóng góp của 3 lĩnh vực trên vào

sự phát triển của điều khiển chuyển động là rất to lớn Do đòi hỏi của việc tăng hiệu quả và cải tiến chất lượng sản phẩm, các thiết bị kỹ thuật ngoài việc giảm giá thành còn phải tăng hiệu suất, giảm sóng hài của nguồn, kết cấu gọn nhẹ, sử dụng thuận tiện và tiêu chuẩn hoá cao Trong xu thế hiện nay các hệ điều khiển chuyển động ngày càng tin cậy, chính xác hơn, dễ sử dụng và giá thành rẻ hơn là vì :

- Sử dụng các thiết bị bán dẫn công suất có tần số và hiệu suất cao

- Sự phát triển của kết cấu máy điện mới

- Sử dụng các thuật toán điều khiển hiện đại trực tiếp tinh xảo

1.2.2 Phân loại hệ ĐKCĐ

1 Nếu quan tâm đến số trục truyền động trong hệ thống thì có các hệ một trục (

hệ SISO ) hệ nhiều trục ( hệ MIMO )

2 Khi xét nhiệm vụ chung của hệ thống có thể chia ra làm 2 loại:

- Hệ ĐKCĐ phẳng

- Hệ ĐKCĐ không gian

1.2.3 Đặc điểm của hệ điều khiển chuyển động

Để hệ ĐKCĐ có độ tin cậy và chính xác cao, giá thành rẻ và tiết kiệm nặng lượng Nhiệm vụ cơ bản của ĐKCĐ phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển tin cậy trong các lĩnh vực hoạt động mà nó phục vụ Ngoài ra,

hệ ĐKCĐ phải đảm bảo ổn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây tác hại cho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng điện quá lớn cho lưới điện…

1.3 CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ ĐKCĐ

1.3.1 Đặt vấn đề

Khi thiết kế hệ ĐKCĐ mà trong đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu kinh tế Chất lượng của hệ thống được thể hiện trong trạng thái tĩnh và động Trong trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng nhất là độ chính xác điều chỉnh Đối với trạng thái động có các yêu cầu về ổn định và các chỉ tiêu chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh và tần số dao động Đối với hệ ĐKCĐ, việc sử dụng các bộ biến đổi, các loại động cơ điện , các thiết bị đo lường, các bộ điều khiển đặc biệt là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo của hệ

1.3.2 Hệ truyền dộng điện

Trong các hệ truyền động điện tự động của hệ ĐKCĐ, vai trò biến đổi điện năng thành cơ năng thuộc về các bộ biến đổi và những hoạt động cơ điện được sử dụng Một số đặc điểm chính của từng loại như sau:

- Động cơ điện một chiều có rất nhiều ưu điểm như: Mômen khởi động và hãm tốt, dải điều chỉnh( gồm tốc độ và mômen… ) rộng, khả năng duy trì các đại lượng điều chỉnh cao và đảo chiều rất linh hoạt… Nhiều năm lại đây hệ thống điều chỉnh

tự động truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều phát triển rất nhanh, nhưng

hệ thống điều khiển một chiều đã hoàn chỉnh hơn, cả về lý thuýêt và ứng dụng thực tiễn; hơn nữa từ góc độ điều khiển thì các hệ điều chỉnh tự động sử dụng động cơ điện một chiều là cơ sở của hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng động cơ xoay chiều

Các bộ biến đổi điều khiển làm nguồn cung cấp cho động cơ một chiều thường

sử dụng các bộ chỉnh lưu Tiristo hoặc bộ điều áp xung rộng bằng Tranzito Trong lĩnh vực điều khiển thì động cơ một chiều đơn giản hơn động cơ xoay chiều vì nó

có thể giao diện trực tiếp với nguồn điện xoay chiều cung cấp qua các bộ biến đổi điều khiển pha Hệ thống điều khiển có hiệu quả nhất, là cấu trúc điều khiển phân cấp nhiều vòng: vị trí ( R ), tốc độ ( R) và dòng điện ( Ri ) Cấu trúc điều khiển này tỏ ra dễ thích nghi, linh hoạt và mềm dẻo ví dụ như có thể điều khiển vị trí thì

mở rộng bằng một vòng vị trí đặt chồng lên mạch vòng tốc độ đã tồn tại, qua một khâu tích phân Cấu trúc nhiều vòng sẽ tác động chậm hơn cấu trúc một vòng phản hồi và ngay trong cấu trúc nhiều vòng thì vòng trong cùng ( mạch vòng mômen hay dòng điện ) bao giờ cũng tác động nhanh hơn vòng ngoài cùng ( vòng vị trí )

- Động cơ xoay chiều không đồng bộ có kết cấu đơn giản chắc chắn, làm việc tin cậy giá thành rẻ hơn so với động cơ điện một chiều Mặt khác thiết bị biến tần với

kỹ thuật điều khiển cao đang chiếm ưu thế trong điều khiển Rôbốt và các ứng dụng điều khiển hiệu suất cao khác … Để thúc đẩy sự phát triển của truyền động xoay chiều thì trước hết phải phát triển điện tử công suất, các mạch tích hợp, các mạch vi

xử lý để tạo nên các bộ biến đổi công suất điều khiển

Điều khiển động cơ điện xoay chiều phức tạp hơn động cơ điện một chiều và

sẽ rất phức tạp khi đòi hỏi hiệu suất cao Nguyên nhân cơ bản là nhiều quan hệ phi tuyến ( n, M, I ), xử lý phức tạp các tín hiệu hồi tiếp, điều khiển phức tạp nguồn cung cấp có điện áp và tần số biến thiên

Phương pháp điều khiển truyền thống là sử dụng các bộ biến đổi với U/f = conts Tuy nhiên hiệu suất thấp và công suất bị hạn chế, phương pháp điều khiển vô hướng liên quan đến phản hồi hệ số trượt, điều khiển mômen và từ thông với quy luật trượt Trong trường hợp yêu cầu cao hơn người ta sử dụng điều khiển vectơ

Xu thế hiện nay là ứng dụng điều khiển vectơ vào các hệ điều khiển chuyển động Năm 1971 đã đưa ra được kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: " Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ không đồng bộ " do F Blaschke của hãng SIEMENS Cộng hoà liên bang Đức đưa ra, và điều khiển biển đổi toạ độ điện áp stato động cơ cảm ứng" do P.C.Custman và A.A Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ Về sau, trong thực tiễn qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tiết biến tần điều khiển vectơ mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến Điều khiển vectơ được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hiệu suất cao, cho đáp tuyến chuyển tiếp nhanh và loại bỏ được các hạn chế của động cơ cảm ứng nhưng rất phức tạp trong biến đổi toạ độ, biến đổi pha và xử lý tín hiệu hồi tiếp

- Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ba pha ngày nay được sử dụng rộng rãi với rải công suất từ vài trăm đến hàng ngàn MW, ở dải công suất cực lớn nó hoàn toàn chiếm ưu thế Tuy vậy, ở công suất nhỏ và vừa nó phải cạnh tranh với động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều Ngày nay động cơ đồng bộ công suất nhỏ đang được chú ý nghiên cứu ứng dụng thay thế động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ

Nguyên lý cơ bản và phương pháp điều tốc biến tần động cơ đồng bộ cũng giống như điều tốc biến tần của động cơ không đồng bộ, được xuất phát từ biểu thức :

n

f

p

1 1

2

  ( 1.1)

Thiết bị biến tần phối hợp điều tốc động cơ đồng bộ có thể là biến tần nguồn áp, bộ biến tần nguồn dòng, bộ chuyển đổi xoay chiều xoay chiều hoặc bộ biến tần SPWM Hệ thống điều tốc biến tần của động cơ đồng bộ được phân thành 2 nhóm lớn là biến tần điều khiển ngoài và biến tần tự điều khiển Thiết bị biến tần độc lập tạo cho động cơ đồng bộ một nguồn điện biến áp biến tần gọi là hệ thống điều tốc biến tần điều khiển ngoài, thiết bị dùng hệ thống đo kiểm vị trí Roto trên trục động

cơ để điều khiển phát xung gọi là hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển

- Động cơ bước là động cơ chấp hành Khi nhận được các xung điện thì rôto dịch chuyển một góc hoàn toàn xác định theo tần số xung gọi là bước Nó được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động, như trong máy công cụ điều khiển theo chương trình có công suất nhỏ Nếu các xung điện áp đưa vào dây quấn theo thứ tự xác định thì rôto quay một góc  = N.0 tỷ lệ với số lượng xung N Nếu xung đưa vào theo thứ tự ngược thì rôto quay theo chiều ngược lại

Để điều khiển động cơ bước người ta dùng các bộ chuyển mạch điện tử hoặc bán dẫn tạo ra các xung điện áp có dạng và tần số cần thiết nhờ vào sơ đồ điều khiển động làm việc với các tần số và thứ tự nối tiếp các xung khác nhau cũng như cố định rôto của chúng vào vị trí nhất định trong thời gian nghỉ giữa các xung

Ngoài các loại động cơ một chiều, động cơ xoay chiều và động cơ bước thì trong

hệ ĐKCĐ còn được sử dụng các loại động cơ tuyến tính để tạo ra các lực kéo trực tiếp cho các chuyển động

Các loại bộ biến đổi và động cơ điện tồn tại những sai số do chế tạo, lắp ráp, ảnh hưởng tới chất lượng và độ chính xác của hệ mà không thể khắc phục được Ngoài ra, trong vận hành cũng có biến thiên các thông số như: thay đổi điện trở, điện cảm dây quấn do nhiệt độ và độ ẩm môi trường, độ bão hoà của mạch từ, mài mòn của ổ trục, khe hở khi lắp trục và hộp truyền động v.v Ảnh hưởng của những yếu tố này đến chất lượng và độ chính xác điều khiển đã được nhiều công trình đề cập nghiên cứu Trong luận văn này không đề cập đến các yêu tố trên

1.3.3 Các thiết bị đo lường

Các cảm biến đo lường tồn tại sai số đo lường phụ thuộc vào cấp chính xác của bản thân thiết bị, linh kiện đo kiểm được các nhà chế tạo cho biết trong lý lịch của từng loại Độ chính xác của hệ thống không thể cao hơn cấp chính xác của thiết bị

đo lường được lựa chọn để sử dụng trong hệ thống Sai số đo lường là bộ phận chủ yếu của sai số trạng thái ổn định của hệ ĐKCĐ Bảng liệt kê phạm vi sai số của một

số loại thiết bị đo lường thường dùng

Thiết bị, linh kiện đo lường Phạm vi sai số

)

Bộ đồng bộ kiểu cảm ứng quay Vài giây ( " )

Bộ đồng bộ kiểu cảm ứng trượt Vài m

Encorder quang điện 360/N ( N là số xung )

Hiện nay, DSP đang được ứng dụng vào nhiều mục đích như: Bộ lọc răng cưa để khử nhiễu cho dao động máy, bộ bù phi tuyến trong hệ thống động lực, bộ điều khiển quỹ đạo cho rôbôt, bộ nhận dạng các thông số, bộ phân tích hình ảnh cho công cụ CAD, bộ đièu khiển biến đổi điện áp và DSP đã trợ giúp đắc lực cho nghiên cứu và thực nghiệm điều khiển bám quỹ đạo của hệ nhiều trục

1.3.5 Các phương pháp điều khiển

Phương pháp điều khiển ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển như độ ổn định độ tác động nhanh và độ bám chính xác quỹ đạo

1.3.5.1 Phân tích sai số điều khiển

Độ chính xác điều chỉnh của hệ lúc này được xác định là đại lượng tỷ lệ nghịch với sai lệch của đại lượng tự điều chỉnh trong trạng thái xác lập và tựa xác lập Các sai lệch thường gặp là sai lệch tuyệt đối ( có thứ nguyên ) và sai lệch tương đối ( % ) Độ chính xác tỷ lệ nghịch với sai lệch tương đối :



  1 ( 1.2 ) Trong đó  là độ chính xác,  là sai lệch tương đối

Để tăng độ chính xác nghĩa là tìm các phương pháp giảm sai lệch điều chỉnh hệ thống, điều quan trọng là cần hiểu rõ những sai lệch đó và chúng kết hợp với nhau như thế nào để tạo ra sai số lớn hơn trong các thống truyền động điện tự động Mặc

dù trong một số trường hợp, các sai số có thể triệt tiêu lẫn nhau gần như hoàn toàn, song luôn phải giả định những yếu tố hợp là sai số xấu nhất

Ngoài những sai số do thiết bị của hệ, thì không thể tránh khỏi một số sai sót nào

đó do người điều khiển, người thao tác hoặc quan sát gây ra Để thuận tiện cho việc khảo sát, dưới đây loại bỏ các sai số gây ra cho con người, mà chỉ đề cập đến các sai

số gây ra do thiết bị:

( )

)(1

1)

(

W p U p

p E

h



 ( 1.3 ) Trong đó : E(p) là sai lệch điều khiển Wh(p) là hàm số truyền hệ hở; U(p) là tác động điều khiển đầu vào

Sai số ở trạng thái xác lập, ký hiệu St

lim



t t

S (t) ( 1.4 ) Với  (t) là hàm gốc sai số ứng với ảnh Laplace của nó là E(p) Dựa vào định lý tiến tới giới hạn của ảnh và gốc trong biến đổi Laplace:

là dạng cấu trúc hệ thống Với trạng thái hệ cấu trúc đã ổn định, tín hiệu đầu vào sẽ

là mặt chủ yếu ảnh hưởng tới sai số hệ thống Các dạng tín hiệu đầu vào thường được sử dụng là: Hàm nhẩy bậc đơn vị( w= 1[t]), hàm tuyến tính ( w=w0t), hàm parabol ( w= w0t2), hàm điều hoà (w= w0 sint ) và có thể là hàm ngẫu nhiên ( về toán học có thể phân tích hàm ngẫu nhiên thành các hàm dạng chuẩn nói trên)

2 Sai số do các lƣợng nhiễu loạn khác

Tác dụng nhiễu thường thấy như trên hình 1.1 Trong đó w là tín hiệu đặt ( điều khiển ) C là đáp ứng ra, E là sai lệch điều khiển, K(p) là hàm số truyền của bộ điều khiển và đối tượng điều khiển Các nhiễu tác động vào hệ bao gồm :

- Nhiễu tác động đầu vào Zt ( Sự thay đổi của điện áp, sự không tuyến tính của chiết áp điều chỉnh lượng đặt… ) tạo nên sai số đại lượng đặt

- Nhiễu tác động vào cơ cấu đo lường Z2 (Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến các bộ cảm biến như máy phát tốc, máy bién dòng điện ) tạo nên sai số do nhiễu của đại lượng đo lường

- Nhiễu tác động vào bộ điều chỉnh Z3 ( làm trôi điểm không ) tạo nên sai số của

bộ điều chỉnh

- Các nhiễu loạn của phụ tải Z4 ( sự thay dổi của thông số hình học các chuyển động làm mômen quán tính thay đổi, các lực ma sát và lực cản phát sinh phụ thuộc vào vận tốc và gia tốc ) tạo nên sai số đại lượng điều chỉnh

Ở chế độ tĩnh K(p) = K0.

K

Z Z Z K

Z Z Z K

K w

C

0

4 3 2 1 0

3 2 1 0

0

Z

w1

Dựa vào kết quả phân tích những nguyên nhân gây ra sai số ở các phần trên,

có thể đưa ra kết luận là: các thiết bị trong hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện như các bộ biến đổi, các bộ động cơ và các bộ cảm biến đo lường tạo nên sai

số không thể khắc phục được, mà chỉ có thể hạn chế bằng cách lựa chọn loại thiết bị tốt hơn, chất lượng cao hơn cho hệ

3 Chọn thuật điều khiển

Khi lựa chọn phương pháp điều khiển nếu phù hợp với các đặc điểm của đối tượng sẽ cho chất lượng tốt và bám chính xác quỹ đạo, ngược lại không phù hợp sẽ dẫn đến sai số lớn

Đối với các hệ tuyến tính, để nâng cao chất lượng và tăng độ chính xác điều khiển bám có thể sử dụng các bộ điều khiển PID, được tổng hợp theo các tiêu chuẩn Modul tối ưu hay Modul đối xứng Trong trường hợp chưa đạt chỉ tiêu chất lượng yêu cầu ( sai lệch tĩnh còn lớn ) có thể nâng cấp vô sai cho hệ Ngoài ra còn có thể

sử dụng phương pháp bù tác động đầu vào, bù nhiễu, hoặc xác định điều khiển phân

ly của hệ thống nhiều chiều

Đối với các hệ phi tuyến, có thể sử dụng phương pháp phản hồi phân ly phi tuyến, phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, phương pháp điều khiển trượt có sử dụng bộ quan sát và phương pháp điều khiển mờ….Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng

Các đối tượng điều khiển khác nhau trong thực tế đòi hỏi chỉ tiêu chất lượng

và điều chỉnh khác nhau Như độ chính xác của hệ ĐKCĐ dùng trong cơ cấu ép trục cán ở máy cán tấm mỏng phải đạt tới  0,01 mm, hệ ĐKCĐ vị trí rađa của cụm súng pháo phòng không để nhắm trúng mục tiêu yêu cầu phải đạt độ chính xác 

0,120 , trong hệ ĐKCĐ của rôbôt hàn loại Pana Robot VR - 006CH có sai lệch quỹ đạo cho phép là 0,5 mm Còn Robot GRYPHON EC yêu cầu độ chính xác vị trí và

độ chính xác vị trí lắp đặt lại phải đạt là  0,5mm

1.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG

1.4.1.Phương pháp điều khiển mờ

Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển là

nó áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưa xác định được rõ hay không thể đo đạc chính xác, các quá trình được điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin Điều khiển mờ đã tích hợp kinh nghiệm của các chuyên gia điều khiển mà không cần hiểu biết nhiều về các thông số của hệ thống

Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính linh hoạt và đã thu được các kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập

mờ, logic mờ và suy luận mờ Những ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logíc mờ

là tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển trong quá trình điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic

mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ (như luật IF - THEN) trên các biến ngôn ngữ Luật điều khiển IF - THEN là một cấu trúc điều khiển dạng nếu - thì, trong đó có một từ được đặc trưng bởi hàm liên thuộc liên tục Các luật điều khiển mờ và các thiết bị suy luận mờ là những công cụ gắn liền với việc sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển

So với giải pháp kỹ thuật từ trước tới nay được áp dụng để tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm rõ rệt sau:

- Khối lượng các công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp mô hình hệ thống

- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác ( cả về kỹ thuật ) và

dễ dàng thay đổi Đối với các bài toán có độ phức tạp cao giải pháp dùng bộ điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm

- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững hơn, khả năng chống nhiễu cao hơn và chất lượng điều khiển cao hơn

Ngày nay, với tốc độ phát triển vượt bậc của tin học và sự tương đối của lý thuyết điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa dạng và phong phú của các hệ điều khiển mờ Tuy nhiên vấn đề tổng hợp được một bộ điều khiển mờ một cách chặt chẽ và ứng dụng cho một đối tượng cụ thể nhằm nâng cao chất lượng điều khiển đang là sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu

1.4.1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Cấu trúc chung của bộ điều khiển mờ gồm bốn khối: Khối mờ hoá, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ hình 1.2

Khối mờ hoá

Khối hợp thành

Khối luật mờ

Khối luật mờ

Hình2.12: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Ra

Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lừi của bộ điều khiển mờ vỡ nú cú khả

năng mụ phỏng những suy nghĩ, suy đoỏn của con người để đạt được mục tiờu điều

khiển mong muốn

Trong điều khiển logic mờ, kinh nghiệm chuyờn gia cựng cỏc kỹ năng, kỹ xảo

đúng vai trũ quan trọng trong việc lựa chọn cỏc biến trạng thỏi và cỏc biến điều

khiển Cỏc biến vào của bộ điều khiển logớc mờ thường là trạng thỏi, sai lệch trạng

thỏi, đạo hàm sai lệch trạng thỏi, tớch phõn sai lệch…

Số lượng cỏc tập mờ là trọng tõm cần lưu ý khi thiết kế cỏc hệ điều khiển logic

mờ Trong một miền giỏ trị ta cú thể chọn số tập mờ khỏc nhau, thụng thường miền

giỏ trị mờ đầu vào được chia thành nhiều tập mờ gối lờn nhau Thường người ta

chia số tập mờ từ 3 đến 9 giỏ trị, số lượng cỏc tập mờ đầu vào xỏc định số lượng lớn

nhất cỏc luật điều khiển mờ trong hệ điều khiển logic mờ

Khối hợp thành cú nhiệm vụ đưa vào tập mờ đầu vào ( trong tập cơ sở U ) và

tập cỏc luật mờ ( do người thiết kế đặt ra )để tạo thành tập mờ đầu ra ( trong tập cơ

sử V ) Hay núi cỏch khỏc là nhiệm vụ của khối hợp thành là thực hiện ỏnh xạ tập

mờ đầu vào ( trong U ) thành tập mờ đầu ra ( trong V ) theo cỏc luật mờ đó cú

Hỡnh1.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Các nguyên lý logic mờ được áp dụng trong khối hợp thành để tổ hợp từ các luật mờ IF - THEN trong luật mờ cơ bản thành thao tác gán một tập mờ A' ( trong U ) tới tập mờ B' ( trong V ) Ta đã biết rằng các luật mờ IF - THEN được diễn giải thành các quan hệ mờ trong không gian nền UxV

Khi dùng quy tắc MAX - MIN thì dấu "*" được thay thế bằng cách lấy cực tiểu Khi dùng quy tắc MAX - PROD thì dấu "*" được thực hiện bằng phép nhân bình thường

Các luật mờ cơ bản là tập hợp các luật mờ IF - THEN được xây dựng trên các biến ngôn ngữ, các luật mờ này được đặc trưng cho mối liện hệ giữa đầu vào và đầu

ra của hệ, nó là trái tim của hệ logíc mờ Sử dụng luật mờ cơ bản này làm công cụ

để suy luận và đưa các dáp ứng một cách có hiệu quả

Ta xét hệ mờ với nhiều đầu vào và một đầu ra ( hệ MISO ) với U=U1xU2x ……

xUn Rn Nếu hệ có m đầu ra từ y1, y2,……yn thì có thể phân thành m hệ mỗi hệ có

n đầu vào và một đầu ra

Luật cơ sở là luật có dạng sau:

Để chọn phương pháp giải mờ thích hợp ta có thể dựa vào các tiêu chuẩn sau đây:

- Tính tin cậy: Điểm y* phải đại diện cho tập mờ B' một cách trực giác, ví dụ có thể nằm ở gần giữa miền xác định của tập mờ B hoặc là điểm của hàm liên thuộc cao nhất trong B

- Đơn giản trong tính toán: Đây là tiêu chuẩn quan trọng vì trong điều khiển mờ

các tính toán đều làm việc trong chế độ trong thời gian thực

- Tính liên tục: Thể hiện ở việc làm khi có sự thay đổi nhỏ trong B' sẽ không

gây sự biển đổi lớn trong y*

1.4.1.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh:

Bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào / ra y(x) liện hệ nhau theo một phương trình đại số ( tuyến tính hoặc phi tuyến ) Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là bộ khuếch đại P, bộ điều khiển Rơle hai vị trí, ba vị trí…

Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn, nó cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển trong các phạm vi khác nhau của quá trình, do đó nâng cao được chất lượng điều khiển

Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nó có nhược điểm

là chất lượng điều khiển không cao vì chưa đề cập đến các trạng thái động ( vận tốc,

gia tốc ) của quá trình, do đó chỉ được sử dụng trong các trường hợp đơn giản

1.4.1.3 Bộ diều khiển mờ động

Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ là đầu vào có xét tới trạng thái của đối tượng Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tín hiểu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời các biến động đột xuất của đối tượng

E Bé ®iÒu

H×nh 2.13: HÖ ®iÒu khiÓn mê theo luËt PI

Các bộ điều khiển mờ động đang được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo tỷ

lệ tích phân và tỉ lệ vi tích phân ( PI, PD và PID )

Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ bộ điều khiển mờ theo luật P ( bộ điều khiển mờ tuyến tính ) bằng cách mắc nối trực tiếp một khâu tích phân kinh điển vào trước hoặc sau khối mờ đó Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau

Khi mắc nối tiếp ở đầu vào một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ một khâu tích phân sẽ có một bộ điều khiển mờ theo luật tỷ lệ vi phân PD

§èi tù¬ng

Bé ®iÒu khiÓn mê

H×nh 2.14: HÖ ®iÒu khiÓn mê theo luËt PD

dt

EE

Hình1.3: Hệ điều khiển mờ theo luật PI

Hình1.4: Hệ điều khiển mờ theo luật PD

- Thuật toán chỉnh định PID

- Thuật toán PID tốc độ

Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào gồm sai lệc giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiêu ra, đạo hàm và tích phân của sai lệch Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t)

e e

K t

t

0 1

.

1 )

( ( 1-9 )

Với thuật toán PID tốc độ, bộ điều khiển PID có 3 đầu vào: sai lệch e giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc nhất e' và đạo hàm bậc hai e" của sai lệch Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm

Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển PD mờ bằng cách mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân

E

E'ddt

H×nh 2.14: HÖ ®iÒu khiÓn mê theo luËt PID

Bé ®iÒu khiÓn mê §èi tù¬ng

Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc của PID mờ hay còn được gọi là bộ điều khiển

mờ ba thành phần đã được nghiên cứu Các dạng cấu trúc này thường được lập trên

cơ sở tách bộ điều khiển PID thành hai bộ điều chỉnh PD và PI ( hoặc I) Việc phân chia này chỉ nhằm mục đích thiết lập các hệ luật cho PD và PI ( hoặc I) gồm hai ( hoặc 1 ) biến vào, một biến ra, thay vì phải thiết lập ba biến vào Hệ luật cho bộ

Hình1.5: Hệ điều khiển mờ theo luật PID

điều chỉnh PID mờ kiểu này thường dựa trên ma trận do MacVicarwhelan đề xuất Cấu trúc này không làm giảm số luật mà chỉ đơn giản cho việc tính toán

1.4.2 Hệ điều khiển mờ lai F - PID

Hệ mờ lai viết tắt là F - PID là hệ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển gồm hai thành phần: Thành phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển mờ

Bộ điều chỉnh F - PID có thể thiết lập dựa trên hai tín hiệu là sai lệch e(t) và đạo hàm của nó e'(t) Ý tưởng đó chính là FLC có đặc tính rất tốt ở vùng sai lệch lớn, ở

đó với đặc tính phi tuyến của nó có thể tạo ra phản ứng động rất nhanh Khi quá trình của hệ tiến gần điểm đặt ( Sai lệch e(t))và đạo hàm của nó e'(t), xấp xỉ bằng 0 ) vai trò của FLC bị hạn chế nên bộ điều chỉnh sẽ làm việc như một bộ điều chỉnh PID bình thường Trên hình 2.16 thể hiện hiện ý tưởng thiết lập bộ điều chỉnh F - PID và phân vùng tác động của chúng

FLC

PIDdt

Sự chuyển đổi giữa các động của FLC và PID có thể thực hiện nhờ khoá mờ hoặc dùng chính FLC Nếu sự vùng tác chuyển đổi dùng FLC thì ngoài nhiệm vụ làm bộ điều chỉnh FLC còn làm nhiệm vụ giám sát hành vi của hệ thống để thực hiện sự chuyển đổi Việc chuyển đổi tác động giữa FLC và PID có thể thực hiện nhờ luật đơn giản sau:

if e (t) dương lớn và e (t) dương lớn thì u là FLC

if e (t) dương nhỏ và e (t) dương nhỏ thì u là PID

Để thực hiện chuyển đổi mờ giữa các mức FLC và bộ chuyển đổi PID, ta có thể thiết lập nhiều bộ điều chỉnh PIDi ( I = 1,2, ,n ) mà mỗi bộ được chọn để tối ưu chất lượng theo một nghĩa nào đó để tạo ra đặc tính tốt trong một vùng giới hạn của biến vào Các bộ điều khiển này có chung thông tin ở đầu vào và sự tác động phụ thuộc vào các giá trị của chúng

Trong trường hợp này, luật chuyển đổi có thể viết theo hệ mờ như sau:

If ( trạng thái của hệ ) is E i then ( tín hiệu điều khiển ) = u 1

et

de tdt

e K

Như vậy các hệ số của bộ điều chỉnh PID mới phụ thuộc các tín hiệu đầu vào, tổng

quát hơn là phụ thuộc vào trạng thái của hệ Nếu coi các hệ số Kpi và KDi và KIi

chính là kết quả giải mờ theo phương pháp trung bình trọng tâm từ ba hệ mờ hàm :

(i): If ER is Ep and CER is CEq then Ki I = KIi(.)

Khi các hệ số KPi, KDi, KIi, được mờ hoá bỏi các tập mờ, có thể xem như hệ số lúc

đó gồm ba tập mờ chuẩn đối với các hệ số KPi, KDi, và KIi Trong trường hợp này

các hệ số điều chỉnh PID mới có thể tính như sau:

1

)(



Trong đó YPi, YDi, YIi tương ứng là tâm các tập mờ của hệ số KPi, KDi,

và KIi được mờ hoá

1.4.4 Hệ điều khiển mờ trƣợt

1.4.4.1 Nguyên lý điều khiển trƣợt

Điều khiển trượt dựa trên lý thuyết về hệ thống có cấu trúc thay đổi đã thu

hút nhiều nghiên cứu trong những năm gần đây Ưu điểm nổi bật của phương pháp

là bền vững đối với nhiều bất định và hệ thống có tham số thay đổi, do vậy không

cần phải biết chính xác mô hình hệ thống Khi áp dụng vào điều khiển cho hệ

1

)(



MIMO ( ví dụ tay máy ) phương pháp điều khiển trượt rất phù hợp và hữu ích vì đây là hệ thống có tính phi tuyến và các ảnh hưởng xuyên chéo có mô hình động lực học và sự thay đổi các tham số của mô hình khi có tải Hệ thống điều khiển trượt sẽ nâng cao được độ chính xác điều khiển so với phương pháp tuyến tính thông thường

Hình 1.8: Đối tượng điều khiển gồm 2 khâu tích phân

Trong hệ thống điều khiển trượt, tín hiệu điều khiển luôn đảo cực tính giữa 2 giá trị +u và -u Đơn giản nhất ta xét đối tượng điều khiển gồm 2 khâu tích phân được điều khiển bởi rơle 2 cực tính ( hình 1.8 )

Khi ở chế độ trượt, hệ có hành vi như một hệ tuyến tính và chất lượng của

hệ thống được nâng cao

1.4.5.2 Điều khiển mờ trƣợt

Xét các lớp đối tượng kiểu SISO một đầu vào u  R, một đầu ra y  R có n

biến trạng thái x1, x2, …xn với mô hình

dy y

T

1

1 ,

1 ( ) )

k n n

dt

t de C

t e dt

d e

s   ( 1-14 )

Trong đó  > 0, e(t) là sai lệch Khi n = 2 thì:

s(e) = e + e ( 1-15 )

Bài toán sai lệch khi này là tìm hàm u để cho s(e) tiến đến 0 Để có được

điều kiện này thì phải chọn được u sao cho khi s(e) > 0 thì s < 0 và ngược lại Tức

là:

s(e).sgn (s )< 0 ( 1-16 )

Đây được gọi là điều khiển trượt Mặt cong s(e) = 0 được gọi là mặt cong trượt Từ đây ta có thể chọn tín hiệu điều khiển u như sau:

U = - umax khi e + e > 0 ( 1-17 )

U = + umax khi e + e < 0 ( 1-18 )

Công thức trên đây được xây dựng với giả thiết là điểm trạng thái mong muốn y0 không phụ thuộc vào thời gian Trong trường hợp y0 = y0(t) là một hàm phụ thuộc thời gian mà ta có thể xem như tín hiệu chủ đạo thì từ điều kiện

0 0

) ) , ( (

0

e e khi

e e khi u

y y f

, (

0 )

, (

0

0

e e khi y

y f e

e e khi y

y f e

là sự kết hợp của hệ điều khiển mờ và khâu rơle 2 vị trí

Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt sử dụng đạo hàm của sai lệch Bộ điều khiển này cho đặc tính động học rất tốt và đặc biệt không quá nhậy với các biến đổi của đối tượng và đối với các thiết kế có mô hình đối tượng không chính xác

Có thể xây dựng bộ điều khiển mờ trượt 2 hoặc 3 đầu vào như hình 1.7; 1.8

Gi¶i mê

Hình1.9:Bộ điều khiển mờ trượt hai đầu vào

u



d dt



ThiÕt bÞ hîp thµnh

Gi¶i mê

H×nh 2.20: Bé ®iÒu khiÓn mê trù¬t ba ®Çu vµo

Trong (1.19 ) ứng với mỗi giá trị  ta nhận được một mặt trượt Nếu ta thể hiện trên mặt phẳng pha thì nó là một đường thẳng hay còn gọi là một đường chuyển mức Trong các quá trình điều chỉnh hay thay đổi tham số này ta được bộ điều chỉnh làm việc trên các mặt trượt khác nhau

Nhận xét: Qua nghiên cứu ta nhận thấy rằng bộ điều khiển mờ có tính phi

tuyến mạnh, khả năng chống nhiễu cao, nó rất phù hợp với hệ có tính phi tuyến, phụ thuộc thời gian, nó có tham số dải và thời gian trễ lớn Việc thành công khi thiết kế bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm vận hành hệ thống

và kiến thức chuyên gia mà chưa có phương pháp chuẩn hoá để thiết kế bộ điều khiển mờ

Nội dung về điều khiển trượt và mờ sẽ làm cơ sở để tổng hợp bộ điều khiển

mờ trượt ở phần tiếp theo ở luận văn

Hình1.10:Bộ điều khiển mờ trượt ba đầu vào

CHƯƠNG II XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỔNG HỢP MỜ TRƯỢT CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐỐI TƯỢNG PHI

TUYẾN

Đặt vấn đề:

Trong chương I ta đã đề cập đến bộ điều khiển mờ và trượt, ta thấy mỗi loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, nếu kết hợp chúng lại ta sẽ nâng cao được chất lượng điều khiển Vì vậy trong chương này ta đi xây dựng thuật toán tổng hợp

bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển đối với đối tượng phi tuyến bậc 2

2.1 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ

2.1.1 Phương pháp điều khiển trượt

Xét hệ cho trong hình 2.1a Từ sơ đồ khối của hệ cũng như hàm truyền đạt

của khâu tuyến tính, ta có ngay khi w = 0 :

01

2 1

2 1

x kx s khi

x kx s khi u

Hình 2.1

Bây giờ ta sẽ khảo sát tính động học của hệ bằng phương pháp mặt phẳng pha ( không gian trạng thái với hai biến trạng thái ) Căn cứ vào mô hình toán học trên ta xác định được mặt phẳng pha sẽ phải là mặt phẳng với hai trục toạ độ x1 và

x2 Phân chia mặt phẳng pha này thành hai miền điểm bởi đường thẳng P( gọi là đường chuyển đổi):

(hình 2.1b) thì nửa mặt phẳng pha phía trên đưởng thẳng sẽ là nửa mà ở đó có u =

-1 và phía dưới là nửa ứng với u = -1 Khi u = 1 thì

1 2 2 1 2

2

1 2

dx x

được xác định từ điều hiển nhiên rằng khi x2> 0 thì x1 phải có xu hướng tăng

Tương tự, khi u = 1 thì:

1 2 2 1 2

2

1 2

dx x

dt

x d

với c2 cũng là hằng số phụ thuộc giá trị đầu Do đó quỹ đạo pha ( quỹ đạo trạng thái

tự do) của hệ ở nửa trên đường thẳng P ứng với giá trị c2 khác nhau có dạng parbol (2.3) và được biểu diễn trong hình 2.1b bằng đường nét đứt

Bây giờ ta đã có thể xây dựng một quỹ đạo pha đi từ điểm đầu tuỳ ý nhưng cho trước trong mặt phẳng pha Chẳng hạn đó là điểm A như ở hình 2.1c Do điểm

A này nằm ở phần mặt phẳng pha phía trên đường chuyển đổi P ( có u = -1 ) nên quỹ đạo pha đi qua nó có dạng (2.2) phải đi theo đường parabol nét liền Dọc theo đường nét liền đó cho tới khi gặp đường thẳng P phân chia hai miền điểm, tức là đến điểm b, thì quỹ đạo pha sẽ phải chuyển sang đường parabol nét đứt (2.3) vì kể

từ lúc này nó đã đi vào miền mặt phẳng pha có u = 1

Theo đường parabol nét đứt, quỹ đạo pha đi từ điểm B đến điểm C là điểm gặp đường chuyển đổi P thì lại chuyển sang đường parabol nét liền(2.2) Cứ theo nguyên lý chuyển từ đường parabol nét liền sang đường parabol nét đứt và từ parabol nét đứt lại trở về parabol nét liền… mỗi khi gặp đường chuyển đổi P, ta xây dựng được hoàn chỉnh quỹ đạo pha của hệ đi từ điểm xuất phát A như ở hình 2.1c

mô tả

Từ dạng quỹ đạo pha dần có xu hướng tiến về gốc toạ độ và kết thúc tại đó,

ta rút ra được những kết luận sau về chất lượng của hệ thống:

- Hệ có một điểm cân bằng là gốc toạ độ trong mặt phẳng pha (x1, x2)

- Hệ không có dao động điều hoà, không có hiện tượng hỗn loạn

- hệ ổn định tại gốc toạ độ

- Hệ có miền ổn định 0 là toàn bộ mặt phẳng pha (ổn định toàn cục)

Ngoài các kết luận trên, ở hệ đang xét còn có một hiện tượng rất đặc trưng có tên gọi là hiện tượng trượt (sliding)hay còn gọi là hiện tượng rung(chattering) Hiện tượng này xuất hiện khi quỹ đạo pha đi vào phần đường phân điểm P mà ở đó đường prrabol nét rời sẽ không còn nằm phía dưới của P cũng như parabol nét liền không còn nằm phía trên P Nó chính là đoạn thẳng trên P nằm giữa điểm tiếp xúc E của P với parabol nét lền (2.2) và điểm tiếp xúc F của P với parabol nét rời(2.3) - hình 2.2a

Hình 2.2

Xét đoạn quỹ đạo pha  đang đi theo parabol nét liền (hình 4.2b) thì gặp

đ− ờng chuyển đổi P nằm trong khoảng EF (đ− ợc gọi lμ khoảng tr− ợt) Khi đó nó

sẽ

Xột đoạn quỹ đạo pha  đanh đi theo parabol nột liền (hỡnh 2.2b) thỡ gặp đường chuyển đổi P nằm trong khoảng EF (được gọi là khoảng trượt) Khi đú nú sẽ chuyển sang đường parabol nột rời Song đoạn đường parabol nột rời này lại nằm trong mặt phẳng pha ứng với đường parabol nột liền nờn ngay khi chuyển sang đường parabol nột liền, quỹ đạo pha lại chuyển sang đương parabol nột liền Theo đường parabol nột liền nú quay trở về đường phõn điểm P và gặp lại đường P tại một điểm khỏc cũng trong khoảng trượt EF nhưng gần tốc độ hơn Từ đõy nú lại chuyển sang đường parabol nột rời… Cứ như vậy quỹ đạo pha chuyển động zick - zack xung quanh đương P để tiến về gốc toạ độ ( Hiện tựng rung)

Nếu như khõu phi tuyến hai vị trớ cho phộp chuyển đổi từ ư1 sang 1 và ngược lại trong khoảng thời gian gần bằng 0 thỡ đoạn quỹ đạo pha zick - zack trờn sẽ cú dạng trượt trờn về gốc toạ độ dọc theo đoạn EF Hiện tượng trượt sẽ trơn chỉ khi thời gian chuyển đổi bằng 0

Độ dốc của đường chuyển đổi P quy định độ dài cho khoảng trượt EF Thụng qua tham số k ta cú thể thay đổi độ dốc của P Đường P cú độ dốc càng lớn, khoảng trượt EF sẽ càng dài làm cho hiện tượng trượt trong hệ xảy ra càng lõu

Hiện tượng trượt (sliding mode) trong hệ vừa xột là một gợi ý cho việc thiết

kế bộ điều khiển sử dụng khõu hai vị trớ nhằm ổn định tuyệt đối đối tượng theo nguyờn tắc trượt về gốc toạ độ

2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt ổn định bền vững

Cho đối tượng điều khiển phi tuyến cú mụ hỡnh vào ( tớn hiệu u ) và ra ( tớn hiệu ra y ):

u dt

y d dt

dy y f dt

y d

n n n

Trong đú hàm phi tuyến f là bất định Giả thiết rằng cú f là hữu hạn, tức là:

Nhiệm vụ điều khiển được đặt ra ở đây là phải thieets kế một bộ điều khiển phản hồi tín hiệu ra y sao cho hệ kín thu được là GAS Nếu so sánh với trường hợp đã xét ở trên thì vị trí đối tượngtuyến tính S(s) trong hình 2.1a nay được thay bằng đối tượng phi tuyến có mô hình vào/ra cho ở trên và ta phải tìm bộ điều khiển tương tự như ở hình 2.1a:

dt

de ke s

dt

y d

x sẽ có từ mô hình vào / ra của đối tượng đã cho phương trình trạng thái tương đương như sau:

 1

x y

u x f dt dx

n i voi

x dt dx

n i i

Định lý 2.1 (Điều khiển ổn định bền vững nhờ bộ điều khiển trượt ): Nếu đối tượg

phi tuyến mô tả bởi mô hình trạng thái (2.5) thoả mãn điều kiện bị chặn (2.4) thì luôn tồn tại bộ điều khiển phản hồi ra ( hình 2.3) không phụ thuộc hàm f của mô hình đối tượng ( nên nó một bộ điều khiển bền vững ):

u = ( k + ) sgn(s ) với k> 0 tuỳ chọn (2.6) trong đó

1

1 1 1 2

2 2 1

i i n

n n

n

dt

e d a dt

e d dt

e d a dt

de a e a e

Có các hằng số a0, a1, … ,an-2 được chọn để đa thức