nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi ứng dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU Học viên : Nguyễn Thị Bích Thủy Lớp : CH - K13 Chuyên ngành : Tự động hóa CB hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Văn Vỵ BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS. Nguyễn Văn Vỵ Nguyễn Thị Bích Thủy Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn là của riêng tôi làm theo định hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Vỵ, 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 Thị Bích Thủy Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU Học viên : Nguyễn Thị Bích Thủy Lớp : CH - K13 Chuyên ngành : Tự động hóa CB hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Văn Vỵ BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS. Nguyễn Văn Vỵ Nguyễn Thị Bích Thủy Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn tận tâm và nghiêm khắc của TS. Nguyễn Văn Vỵ. Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy đã tận tình hƣớng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu để hoàn thành luận văn này, cũng nhƣ việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian làm luận văn. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện tử và Khoa Điện Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tận tình trong việc nghiên cứu đề tài. Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, Khoa Sau Đại học Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Bích Thủy Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU 1 1. Mục tiêu của đề tài 1 2. Tính cấp thiết của đề tài 1 3. Nội dung của luận văn 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 4 1.1. Lịch sử phát triển của hệ diều khiển thích nghi 4 1.2. Đặc điểm chung của hệ thống Điều khiển thích nghi 6 1.2.1. Định nghĩa 6 1.2.2. Cấu trúc hệ điều khiển thích nghi 6 1.2.3. Phân loại 7 1.2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi điều chỉnh hệ số khuyếch đại 7 1.2.3.2. Hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) 8 1.2.3.3. Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh (STR). 8 1.3. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) 10 1.3.1. Phƣơng pháp MRAC trực tiếp 11 1.3.2. Phƣơng pháp MRAC gián tiếp 12 1.4. Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực - APPC 14 1.5. Ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi 15 1.6. Hệ thống điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính 15 1.7. Kết luận chƣơng 1 17 CHƢƠNG 2. HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU 19 2.1. Đặc điểm của hệ MRAC 19 2.1.1. Sơ đồ cấu trúc MRAC 19 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv 2.1.2. Phân loại MRAC 21 2.1.2.1. Quan điểm cấu trúc 21 2.1.2.2. Theo quan điểm ứng dụng 22 2.1.3. Nguyên lí làm việc của hệ MRAC 24 2.2. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo thuyết tối ƣu cục bộ 26 2.3. Phƣơng pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov 35 2.4. Tổng hợp luật thích nghi trên cơ sở về lí thuyết ổn định tuyệt đối và nguyên lí dƣơng của hệ thống động 38 2.5. Kết luận chƣơng 2 44 CHƢƠNG 3. TỔNG HỢP MRAC CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU 46 3.1. Hệ truyền động quấn băng vật liệu 46 3.1.1. Quá trình hoạt động của hệ tháo - quấn dây 47 3.1.2 Kết cấu cơ khí của bộ phận quấn dây 48 3.1.3. Yêu cầu công nghệ của cơ cấu quấn dây 49 3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển 50 3.2. Mô tả toán học đối tƣợng điều khiển 51 3.2.1. Mô tả toán học ở chế độ xác lập 52 3.2.2. Mô tả toán học ở chế độ quá độ 53 3.2.2.1. Mô tả chung 53 3.2.2.2. Mô tả khi từ thông của động cơ không đổi. ( = const) 54 3.3. Tổng hợp hệ thống điều khiển 55 3.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 55 3.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ 58 3.3.3. Tính toán mạch vòng thích nghi 61 3.4. Tổng hợp sơ đồ cấu trúc của hệ 66 3.5. Kết luận chƣơng 3 68 CHƢƠNG 4. KIỂM NGHIỆM CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 70 4.1. Mục đích, phƣơng pháp và nội dung kiểm nghiệm 70 4.1.1. Mục đích 70 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v 4.1.2. Phƣơng pháp đánh giá 70 4.1.3. Nội dung 70 4.2. Tính toán các tham số của bộ điều khiển 70 4.3. Sơ đồ mô phỏng Matlab-Simulink 73 4.4. Kết quả mô phỏng 76 4.5. Kết luận chƣơng 4 85 KẾT LUẬN CHUNG 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa θ Véctơ tham số xấp xỉ sm θ,θ Là tín hiệu ra của mô hình và đối tƣợng. V(.) Hàm Lyapunov. A S (t), B S (t) Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động của nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống. A m , B m Là ma trận hằng số của mô hình mẫu. X m , X s Là các véctơ trạng thái của mô hình mẫu. u(t) Tín hiệu điều khiển. x(t) Véctơ trạng thái của hệ. y(t) Tín hiệu. CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa ĐKTN Điều khiển thích nghi. MIT Massachusetts Institute of Technology. MRAC Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu. MRC Điều khiển theo mô hình mẫu. STR Điều khiển tự chỉnh. SISO Một tín hiệu vào - Một tín hiệu ra. APPC Điều khiển thích nghi áp đặt cực. PPC Điều khiển áp đặt cực. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ thống Điều khiển thích nghi 6 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 của MRAC 8 Hình 1.4. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh gián tiếp: ISTR 9 Hình 1.5. Hệ ĐKTN tự điều chỉnh trực tiếp: DSTR 10 Hình 1.6. Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 11 Hình 1.7. Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 12 Hình 1.8. Hệ điều khiển PPC 14 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý một hệ thống ĐKTN có sử dụng máy tính 16 Hình 1.10: Dạng thứ hai của sơ đồ nguyên lý 16 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC 20 Hình 2.2: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu nối tiếp 21 Hình 2.3: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song 21 Hình 2.4: Hệ thống ĐKTN có mô hình mẫu song song, nối tiếp 22 Hình 2.5: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu trực tiếp 23 Hình 2.6: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu gián tiếp 23 Hình 2.7: Sơ đồ ĐKTN theo mô hình mẫu 25 Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống thích nghi 30 Hình 2.9: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số j b 34 Hình 2.10: Các bộ lọc nhạy cảm cho thông số j a 34 Hình 2.11: Luật điều khiển trên cơ sở hàm Lyapunop 37 Hình 2.12: Cấu trúc hệ một thông số 37 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc MRAC trên cơ sở ổn định tuyệt đối 38 Hình 2.14. Phƣơng pháp tổng hợp tín hiệu bổ sung U p2 (t) 39 Hình 2.15: Cấu trúc hệ phản hồi 41 Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi 42 Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc của hệ có phản hồi đầy đủ 43 Hình 3.1: Sơ đồ động học của cơ cấu tháo - quấn dây 46 [...]... hc liu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 2 Vỡ nhng lý do trờn vic nghi n cu ng dng lý thuyt KTN vo iu khin cỏc h thc l cn thit v cn c tp trung nghi n cu H truyn ng qun bng vt liu c s dng nhiu trong thc t v l h cú tớnh phi tuyn mnh ỏp ng yờu cu iu khin cú th s dng b iu khin thớch nghi Vỡ vy tụi chn hng nghi n cu l : Nghi n cu lý thuyt iu khin thớch nghi ng dng cho h truyn ng qun bng vt liu 3 Ni dung ca lun... Tỡm hiu tng quan v lý thuyt iu khin thớch nghi Ni dung ca phn ny l tỡm hiu nhng vn chung v KTN Chng 2 : Nghi n cu h iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu Ni dung ca phn ny l i sõu vo phng phỏp iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu, lm c s tng hp b iu khin cho bi toỏn ng dng Chng 3 Chng 3 : Tng hp h MRAC cho h truyn ng qun bng vt liu T cỏc nghi n cu lý thuyt tin hnh tng hp b iu khin cho i tng c th l h... Tớn hiu vo ca mch vũng thớch nghi l sai lch gia tớn hiu ca mụ hỡnh mu v ca i tng Tớn hiu iu khin l sai s gia tớn hiu ra ca mụ hỡnh mu vi tớn hiu ca i tng Lut thớch nghi thng c xỏc nh bng phng phỏp Gradien, lý thuyt n nh ca Lyapunov hoc lý thuyt n nh tuyt i ca Pụpụp v nguyờn lý dng ng h hi t v sai s l nh nht ym Mô hình mẫu + e(t) - u Bộ điều khiển Đối tƯợng Ys cơ cấu thích nghi Hỡnh 1.3 S cu trỳc h... iu khin thớch nghi phỏt trin v hon thin vi tc nhanh c bit cỏc h thng iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu v cỏc h t chnh ó t c nhiu kt qu T cỏc lut iu khin hin i cho ra nhiu b iu khin theo chng trỡnh cho cỏc cho cỏc h thng truyn ng in minh chng cho iu ú tụi nghi n cu h iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu MRAC S húa bi trung tõm hc liu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 18 CHNG 2 H IU KHIN THCH NGHI THEO Mễ HèNH... s(Hỡnh 1.2) Bộ điều chỉnh hệ số khuyếch đại ym u Bộ điều khiển y Đối tƯợng Hỡnh 1.2 H KTN iu chnh h s khuych i S húa bi trung tõm hc liu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 8 1.2.3.2 H iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu (MRAC) Mụ hỡnh mu c chn sao cho c tớnh ca mụ hỡnh mu l c tớnh mong mun ( Hỡnh 1.3) Mụ hỡnh mu chn cng sỏt i tng thỡ kt qu iu khin cng chớnh xỏc C cu thớch nghi cú nhim v hiu chnh sao cho sai s e(t)... MIT ó c dựng thit k lut thớch nghi vi mc ớch ỏnh giỏ cỏc thụng s khụng bit trc trong s MRAC Thi gian ú vic iu khin cỏc chuyn bay do cũn tn ti nhiu hn ch nh thiu phng tin tớnh toỏn, x lý tớn hiu, v lý thuyt cng cha tht hon thin ng thi nhng chuyn bay thớ nghim b tai nn lm cho vic nghi n cu v lý thuyt iu S húa bi trung tõm hc liu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 5 khin thớch nghi b lng xung vo cui thp k 50... quan trng nht trong vic phỏt trin cỏc lý thuyt t ng, c bit l lý thuyt KTN K thut khụng gian trng thỏi v lý thuyt n nh da theo lut Lyapunov ó c phỏt trin Mt lot cỏc lý thuyt nh iu khin i ngu, iu khin ngu nhiờn, nhn dng h thng, ỏnh giỏ thụng sra i cho phộp tip tc phỏt trin v hon thin lý thuyt KTN Vo nm 1996 Park v cỏc ng nghip ó tỡm phong phỏp mi tớnh toỏn li lut thớch nghi s dng lut MIT ng dng vo cỏc s... i tng khụng qua tng minh *H thớch nghi t chnh li: Kt hp c hai phng phỏp trờn ta cú h t chnh thớch nghi li, tc l cựng lỳc ta ỏnh giỏ c tham s b iu khin v tham s i tng nhm trỏnh gii phng trỡnh i s õy l h thớch nghi t chnh nhm kt hp u im ca c hai h trờn đánh giá on-line tham số 0(t) u ys Bộ điều khiển Đối tƯợng Hỡnh 1.5 H KTN t iu chnh trc tip: DSTR 1.3 H iu khin thớch nghi theo mụ hỡnh mu (MRAC) MRAC... cc ca h kớn Lut iu khin cú phn hi s c to ra ỏp t cỏc im cc ca h kớn vo vựng mong mun Cu trỳc ca h PPC cho i tng dng SISO tuyn tớnh dng c ch ra Hỡnh 1.8 r u Bộ điều khiển C( c ) 0* Đối tƯợng điều khiển G (S) s y Hỡnh 1.8 H iu khin PPC * C Cu trỳc ca h iu khin C ( ) v vect tham s ( * C ) c chn sao cho cỏc im cc ca hm truyn h kớn ( t r n y ) phi bng cỏc giỏ tr * C mong mun Vect ( ) c xỏc nh t phng trỡnh... cụng trỡnh nghi n cu v h KTN bn vng, c bit l MRAC cho cỏc i tng cú thụng s bin thiờn theo thi gian tuyn tớnh Cỏc nghi n cu ca nhng nm S húa bi trung tõm hc liu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 6 90 tp chung vo ỏnh giỏ kt qu ca cỏc nghi n cu nm 80 v nghi n cu cỏc lp i tng phi tuyn cú tham s bt nh Nhng c gng ny ó c a ra mt s lp s MRAC xut phỏt t h thng phi tuyn 1.2 c im chung ca h thng iu khin thớch nghi 1.2.1 . tiêu của đề tài là nghi n cứu ứng dụng lý thuyết của Điều khiển thích nghi để nâng cao chất lƣợng điều khiển cho đối tƣợng phi tuyến và áp dụng cho hệ truyền động quấn băng vật liệu. 2. Tính cấp. THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI N CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU Học viên : Nguyễn Thị Bích Thủy Lớp : CH - K13 Chuyên ngành : Tự động hóa CB hướng. pháp Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, làm cơ sở để tổng hợp bộ điều khiển cho bài toán ứng dụng ở Chƣơng 3 Chương 3 : Tổng hợp hệ MRAC cho hệ truyền động quấn băng vật liệu Từ các nghi n