Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống quạt gió cánh phẳng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ––––––––––––––––––– NGUYỄN THÀNH CÔNG NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ––––––––––––––––––– NGUYỄN THÀNH CÔNG NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN PHÕNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Văn Chí THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thành Công Sinh ngày 09 tháng 6 năm 1975 Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa 02 – Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp- Đại Học Thái Nguyên. Hiện tôi đang công tác tại Trường Cao Đẳng Nghề Cơ Điện Phú Thọ Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Thành Công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống quạt gió cánh phẳng”. Trong thời gian làm luận văn do kiến thức của tôi còn rất nhiều hạn chế, thực tế là chưa đủ để thực hiện đề tài này. Nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn, các thầy giáo trong Bộ môn Đo lường - Điều khiển tự động của trường Đại học kỹ thuật công nghệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự chỉ bảo ân cần của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Chí nên tôi đã hoàn thành được nội dung nghiên cứu. Mặc dù đã cố gắng nhưng do thời gian hạn chế và kiến thức của tôi còn thiếu nên bản luận văn này chắc chắn còn có nhiều thiếu sót mong sẽ được các thày chỉ dẫn thêm. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Văn Chí và các thầy cô giáo trong bộ môn Đo lường - Điều khiển tự động Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Thành Công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt v Danh mục các hình vi MỞ ĐẦU 1 1. Tính cần thiết của đề tài 1 2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 1 3. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn 2 4. Phương pháp và phương pháp luận 2 5. Đóng góp của luận văn 3 6. Bố cục của luận văn 3 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG 4 1.1. Đặt vấn đề 4 1.2. Mô tả hệ thống 4 1.3. Nguyên lý hoạt động 8 1.4. Cơ sở xây dựng và nhận dạng mô hình động lực học QGCP 8 1.5. Kết luận chương I 10 Chƣơng 2: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 12 2.1. Cơ sở lý thuyết về nhận dạng hệ thống điều khiển 12 2.1.1. Định nghĩa nhận dạng 12 2.1.2. Phân loại phương pháp nhận dạng 12 2.1.3. Các phương pháp nhận dạng 13 2.1.4. Nhận dạng mô hình có tham số - Phương pháp bình phương tối thiểu - Mô hình ARX 13 2.1.5. Các bước tiến hành bài toán nhận dạng 16 2.2. Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng 17 2.2.1. Thu thập dữ liệu vào/ra hệ thống QGCP 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.2.2. Tiền sử lý dữ liệu 19 2.2.3. Nhận dạng hệ thống bằng phần mềm chuyên dụng Identification Toolbox trong Matlab 19 2.2.4. Kết quả nhận dạng hệ thống QGCP 29 2.3. Kết luận chương 2 30 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 31 3.1. Thiết kế bộ điều khiển PID 31 3.2. Tiến hành chạy thực trên hệ thống quạt gió cánh phẳng 32 3.2.1. Chạy thực hệ thống QGCP khi chưa có tác động của nhiễu 32 3.2.2. So sánh hệ thống QGCP thực và lý tưởng 35 3.2.3. Chạy thực hệ thống QGCP khi có tác động của nhiễu 38 3.3. Kết luận chương 3 40 Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU 42 4.1. Cơ sở lý thuyết về hệ điều khiển thích nghi 42 4.1.1. Khái niệm hệ điều khiển thích nghi 42 4.1.2. Hệ thích nghi theo mô hình mẫu – MRAS 42 4.2. Thiết kế hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu cho hệ thống quạt gió - cánh phẳng 44 4.3. Chạy thực hệ điều khiển thích nghi trên hệ thống quạt gió – cánh phẳng 54 4.3.1. Hệ thống khi chưa có tác động nhiễu 54 4.3.2. Hệ thống khi có tác động của nhiễu 58 4.3.3. So sánh đáp ứng đầu ra hệ thống khi có tác động nhiễu giữa bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi 60 4.4. Kết luận chương 4 64 KẾT LUẬN CHUNG 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt QGCP Fan and Plate Quạt gió cánh phẳng PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung AR Auto Regression Quá trình tự hồi quy PI Proportional Integral Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ MRAS Model Reference Adaptive Systems Hệ thích nghi mô hình tham chiếu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Hệ thống quạt gió cánh phẳng tại phòng thí nghiệm bộ môn Đo lường Điều khiển – Khoa Điện tử 4 Hình 1.2: Động cơ quạt gió cánh phẳng 5 Hình 1.3: Cánh phẳng 5 Hình 1.4: Sensor đo góc 5 Hình 1.5: Mạch điều khiển 6 Hình 1.6: Bộ nguồn một chiều 7 Hình 1.7: Cáp kết nối máy tính 7 Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển 7 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống QGCP 8 Hình 1.10: Biểu diễn quá trình động lực học của QGCP 9 Hình 1.11: Sơ đồ khối của mô hình 9 Hình 2.1: Khối tạo tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên trên Simulink 17 Hình 2.2: Nhận dạng hệ thống QGCP trên phần mềm Matlab – Simulink 18 Hình 2.3: Tín hiệu vào hệ thống 18 Hình 2.4:Tín hiệu ra hệ thống 18 Hình 2.5:Tín hiệu vào sau tiền xử lý 19 Hình 2.6: Tín hiệu ra sau tiền xử lý 19 Hình 2.7: Cửa sổ làm việc của công cụ nhận dạng 20 Hình 2.8: Nhập đối tượng vào công cụ nhận dạng 20 Hình 2.9: Tiền xử lý dữ liệu loại bỏ giá trị trung bình 21 Hình 2.10: Hình vẽ bộ dữ liệu gốc và mới 21 Hình 2.11: Di chuyển mô hình identdata.d vào Working Data 22 Hình 2.12: Bộ dữ liệu identdata de và identdata dv 22 Hình 2.13: Hình vẽ bộ dữ liệu identdata de và identdata dv 23 Hình 2.14:Di chuyển identdata de và identdata dv vào các vùng làm việc 23 Hình 2.15: Ước lượng mô hình 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2.16: Chọn các thông số mô hình 24 Hình 2.17: Độ phù hợp của mô hình 25 Hình 2.18: Mô hình toán học của ARX221 25 Hình 2.19: Đặc tính vào/ra trước và sau khi loại bỏ giá trị trung bình 28 Hình 2.20:Độ phù hợp của các mô hình ARX221,ARX551,ARX10101 28 Hình 3.1: Hệ thống quạt gió cánh phẳng với bộ điều khiển PID 32 Hình 3.2:Góc thực của hệ thống khi góc đặt 5° 33 Hình 3.3: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 10° 33 Hình 3.4: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 15° 34 Hình 3.5: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 20° 34 Hình 3.6: So sánh đối tượng QGCP thực và lý tưởng 35 Hình 3.7: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 35 Hình 3.8: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 36 Hình 3.9: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 37 Hình 3.10: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 37 Hình 3.11: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 5° 38 Hình 3.12: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 10° 39 Hình 3.13: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 15° 39 Hình 3.14: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 20° 40 Hình 4.1: Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu 42 Hình 4.2: Mô hình sai số 43 Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu 45 Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng điều khiển thích nghi cho hệ thống quạt gió - cánh phẳng 49 Hình 4.5: Khối mô hình mẫu 50 Hình 4.6: Khối cơ cấu chỉnh định thích nghi 50 Hình 4.7: Khối bộ điều khiển 50 Hình 4.8: Khối đối tượng quạt gió - cánh phẳng 51 Hình 4.9: Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 5° 51 Hình 4.10:Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 10° 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 4.11: Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 15° 52 Hình 4.12: Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 20° 53 Hình 4.13: Sơ đồ chạy thực điều khiển thích nghi cho hệ thống 54 Hình 4.14: Sai số e khi góc đặt 5° 54 Hình 4.15: Góc cánh phẳng và góc đặt 5° 55 Hình 4.16: Tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 5° 55 Hình 4.17 :Sai số e khi góc đặt 10° 56 Hình 4.18: Góc cánh phẳng và góc đặt 10° 56 Hình 4.19: Tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 10° 56 Hình 4.20:Sai số e khi góc đặt 15° 57 Hình 4.21: Góc cánh phẳng và góc đặt 15° 57 Hình 4.22: Tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 15° 58 Hình 4.23:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm 59 Hình 4.24:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm 59 Hình 4.25:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm 60 Hình 4.26: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động nhiễu góc đặt 61 Hình 4.27 : So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động nhiễu góc đặt 10° 62 Hình 4.28: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động nhiễu góc đặt 15° 63 [...]... số do đó hệ thống QGCP là hệ thống khó điều khiển để đạt được chất lượng tốt Xuất phát từ những lý do trên và quan điểm của bản thân tác giả luận văn mạnh dạn đi sâu nghi n cứu đề tài Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống quạt gió cánh phẳng để từ đó thiết kế bộ điều khiển thích nghi tự động điều khiển góc với chất lượng tốt hơn, qua đó mở ra hướng ứng dụng trong các hệ thống thông gió, góc mở... lý thuyết cơ bản về nhận dạng và điều khiển thích nghi để xác định tham số hệ thống QGCP Sau đó thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng điều khiển góc Các kết quả được kiểm chứng trên Mallab/Simulik và điều khiển thực cho thấy các tham số đã xác định được thông qua nhận dạng là tương đối chính xác, bộ điều khiển thích nghi cho chất lượng điều khiển tốt hơn nhiều... về hệ thống quạt gió cánh phẳng - Chương II Nhận dạng hệ thống điều khiển - Chương III Thiết kế bộ điều khiển PID - Chương IV Thiết kế bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu - Ngoài ra còn có phần mở đầu và danh mục tài liệu tham khảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG 1.1 Đặt vấn đề Hệ thống quạt gió. .. quạt gió cánh phẳng (QGCP) là một hệ thống khí động học, hệ có tính phi tuyến mạnh và rất nhạy đối với tác động của nhiễu, vì vậy hệ quạt gió cánh phẳng là đối tượng rất tốt để nghi n cứu các phương pháp điều khiển tự động từ đơn giản đến phức tạp 1.2 Mô tả hệ thống Mục tiêu điều khiển của hệ thống QGCP là ổn định góc đặt của cánh phẳng bằng luồng không khí thổi từ quạt gió  Cấu trúc của hệ thống khí... cơ cấu hiệu chỉnh thích nghi theo luật MIT Cài đặt bộ điều khiển và cơ cấu chỉnh định trong Matlab simulink và điều khiển thực So sánh kết quả của phương pháp điều khiển áp dụng với phương pháp đã có Đánh giá và nhận xét 4 Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận - Phương pháp nghi n cứu: Nghi n cứu lý thuyết về nhận dạng thực nghi m, tiến hành nhận dạng thực tế hệ thống quạt gió cánh phẳng Số hóa bởi Trung... lý hệ thống QGCP Đối tượng quạt gió cánh phẳng được giao tiếp, điều khiển và giám sát bằng máy tính thông qua cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab Khi ta đặt giá trị góc đặt trên máy tính, từ bộ điều khiển tín hiệu điều khiển sẽ được đưa tới đối tượng QGCP : mạch điều khiển điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ quạt gió (điều chỉnh tốc độ quạt) làm cánh phẳng đạt góc đặt cho trước Đáp ứng đầu ra là góc cánh. .. 2 NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cơ sở lý thuyết về nhận dạng hệ thống điều khiển 2.1.1 Định nghĩa nhận dạng Nhận dạng là phương pháp thực nghi m nhằm xác định một mô hình cụ thể trong các lớp mô hình thích hợp đã cho trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào/ra.[1] Yêu cầu với mô hình tìm được là phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất 2.1.2 Phân loại phương pháp nhận dạng [2] a Nhận dạng theo dạng. .. của cánh phẳng với chất lượng cải thiện hơn so với các phương pháp đã có[1],[5],[6],[7] Chính vì vậy, luận văn tập trung vào các mục tiêu cụ thể như sau: Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng thông qua nhận dạng thực nghi m theo phương pháp hồi quy trung bình trượt nhằm xác định mô hình hệ thống và mô hình nhiễu tác động Xác định mô hình mẫu Thiết kế bộ điều khiển thích nghi và cơ cấu hiệu chỉnh thích. .. học quạt gió cánh phẳng bao gồm: - Quạt gió - Cánh phẳng - Sensor đo góc - Mạch điều khiển - Thiết bị được giao tiếp ,điều khiển và giám sát bằng máy tính thông qua cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab - Bộ nguồn một chiều Hình 1.1 :Hệ thống quạt gió cánh phẳng tại phòng thí nghi m bộ môn Đo lƣờng Điều khiển – Khoa Điện tử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 a Quạt. .. điều khiển sao cho chất lượng của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã định Do tính ưu việt của điều khiển thích nghi mà hiện nay các bộ điều khiển đang bắt đầu được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp, các hệ phi tuyến trong thực tế Mô hình hệ thống QGCP là một mô hình cho phép cài đặt các thuật bù điều khiển góc, với tính chất chịu ảnh rất nhiều của nhiễu và sự thay đổi tham số do đó hệ . Thiết kế hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu cho hệ thống quạt gió - cánh phẳng 44 4.3. Chạy thực hệ điều khiển thích nghi trên hệ thống quạt gió – cánh phẳng 54 4.3.1. Hệ thống khi. Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU 42 4.1. Cơ sở lý thuyết về hệ điều khiển thích nghi 42 4.1.1. Khái niệm hệ điều khiển thích nghi 42 4.1.2. Hệ thích nghi theo mô hình. và điều khiển thích nghi hệ thống quạt gió cánh phẳng để từ đó thiết kế bộ điều khiển thích nghi tự động điều khiển góc với chất lượng tốt hơn, qua đó mở ra hướng ứng dụng trong các hệ thống