Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) sử dụng khuếch đại thuật toán

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN DŨNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THAM CHIẾU THEO MÔ HÌNH MẪU MRAS SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Duy Cƣơng PHÕNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Xuân Dũng Sinh ngày 31 tháng 3 năm 1982 Học viên lớp cao học khoá 15 CHTĐH - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại : Trƣờng Cao đẳng nghề Kỹ thuật – Công nghệ Tuyên Quang Xin cam đoan luận văn “Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) sử dụng khuếch đại thuật toán” do thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Nguyễn Xuân Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) sử dụng khuếch đại thuật toán” đã đƣợc hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014 Học viên Nguyễn Xuân Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN …………………………………………………… i LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………… ii MỤC LỤC …………………………………………………………… iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ………………………………… v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………………… vi LỜI NÓI ĐẦU ……………………………………………………… 1 CHƢƠNG I : GIỚI THIỆU – MÔ TẢ HỆ THỐNG BALL&BEAM 4 1.1 Mô tả hệ thống “Ball & Beam” …………………………………… 4 1.1.1 Đặt vấn đề…………………………………………………… 4 1.1.2 Một số các nghiên cứu về B&B……………………………… 6 1.1.3 Bộ thí nghiệm SERVO CONTROL TRAINING SYSTEM MODEL SRV2……………………………………………… 11 1.1.4 Sơ đồ kết nối giữa máy tính và mô hình hệ thống B&B………. 13 1.1.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống Ball & Beam…………… 15 1.2 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống…………………………… 16 1.3 Tuyến tính hóa B&B xung quanh điểm làm việc……………………. 19 1.4 Xác định các thông số của hệ thống…………………………………. 22 1.4.1 Mô hình toán động cơ 1 chiều…………………………………. 22 1.4.2 Xác định điện trở phần ứng a R ……………………………… 23 1.4.3 Xác định hằng số b K ………………………………………… 24 1.4.4 Xác định m J qua tính toán…………………………………… 1.5 Mô hình hệ thống trên Matlab Simulink…………………………… 25 1.6 Động lực cho việc sử dụng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS)………………………………………………………… 27 1.7 Nhiệm vụ của tác giả……………………………………………… 27 1.8. Mong muốn đạt đƣợc…………………… 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v Kết luận chƣơng I……………………………………………………… 29 CHƢƠNG II : TÌM HIỂU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU MRAS………………………………………… 30 2.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi……………………… 30 2.2 Khái quát về hệ điều khiển thích nghi……………………………… 32 2.3 Cơ chế thích nghi - thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT 38 2.4 Phƣơng pháp ổn định của liapunov………………………………… 48 Nhận xét chƣơng II 56 CHƢƠNG III : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) cho hệ thống Ball_Beam 57 3.1 57 3.2 Thiết kế bộ điều khiển PD cho động cơ servo 58 33 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) cho hệ thống Ball_Beam 62 Kết luận Chƣơng III……………………………………………………… 70 CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MRAS CHO HỆ THỐNG BALL_BEAM SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 71 4.1 Xây dựng mạch lọc biến trạng thái (SVF) và bộ điều khiển PD cho động cơ servo 71 4.2. Xây dựng mạch thích nghi 72 4.3 Kết quả chạy thực nghiệm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………… 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ Viết Tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt LQR Linear Quadratic Regulator phƣơng pháp thiết kế các luật điều khiển phản hồi trạng thái LQE Linear Quadratic Estimator bộ ƣớc lƣợng toàn phƣơng tuyến tính (Bộ quan sát) LQG Linear Quadratic Gaussian STR Self Tuning Regulator Bộ điều khiển tự chỉnh SVF State Variable Filters Bộ lọc biến trạng thái AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều PWM Pulse – width modulation Điều chế độ rộng xung AD Analog to digital Bộ biến đổi tƣơng tự -số LC Learning Control Bộ điều khiển học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Mô hình Ball beam dạng 1 5 Hình 1-2 Mô hình Ball beam dạng 2 5 Hình 1-3 Mô hình Ball Beam tại trƣờng ĐHKT Hong kong 6 Hình 1-4 Mô hình Ball Beam tại công ty Megachem. Trƣờng đại học Phía Bắc Florida 8 Hình 1-5 Mô hình Ball Beam ĐH Bắc Florida 8 Hình 1-6 Mô hình Ball Beam ĐHKT Australia 9 Hình 1-7 Wedcam on board ĐHKT Australia 10 Hình 1-8 Hình ảnh bộ thí nghiệm 11 Hình 1-9 Sơ đồ đấu nối dây của hệ thống B&B 14 Hình 1-10 Nhiễu quá trình và nhiễu đo lƣờng 16 Hình 1-11 Mô tả toán học B&B 17 Hình 1-102 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện 1 chiều 22 Hình 1-13 Mô hình tuyến tính của đối tƣợng Ball&Beam 27 Hình 2-1 Hệ thích nghi tham số 36 Hình 2-2 Hệ thích nghi tín hiệu 36 Hình 2-3 Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2 38 Hình 2-4 Mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu 40 Hình 2-5: Sự thay đổi tham số b p dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra 41 Hình 2-6: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng khi thay đổi tham số b p 42 Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số b p 42 Hình 2-8 Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K b 43 Hình 2-9 Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng điều khiển và mô hình mẫu theo luật MIT 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 2-10 Sai lệch đầu ra của đối tƣợng và mô hình mẫu 44 Hình 20-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT 44 Hình 2-12: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb 46 Hình 2-13: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tƣợng và mô hình mẫu 46 Hình 2-14: Các hệ số Ka và Kb 47 Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi 47 Hình 2-16 Hệ thống thích nghi thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Lyapunov 55 Hình 2-17 Đáp ứng ra và sai lệch e của đối tƣợng và mô hình mẫu 55 Hình 2-18 Các tín hiệu thích nghi Ka, Kb 56 Hình 3-1 58 Hình 3-2: Mô hình động cơ servo 59 Hình 3-3: Bộ điều khiển PD cho động cơ servo 60 Hình 3-4 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PD cho động cơ servo 61 Hình 3-5 Đáp ứng đầu ra của hệ thống 61 Hình 3-6 Đáp ứng đầu ra của hệ thống 62 Hình 3-7 Mô hình đơn giản hóa đối tƣợng Ball_Beam 63 Hình 3-8 Mô hình hệ thống với bộ điều khiển PD 64 Hình 3-9 Mô hình hệ thống với bộ điều khiển PD 68 Hình 3-10 Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng và mô hình mẫu 68 Hình 3-11 Các tham số của bộ điều khiển 69 Hình 4-1 Mạch lọc biến trạng thái và bộ điều khiển PD 71 Hình 4-2 Mạch điện tử thực hiện bộ loc biến trạng thái SVF và bộ điều khiển PD cho động cơ servo 72 Hình 4-3 Mạch thích nghi sử dụng khuếch đại thuật toán 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix Hình 4-4: Kết quả mô phỏng trên phần mềm Multisim 74 Hình 4-5: Mạch điện tử thực hiện bộ điều khiển thích nghi MRAS 75 Hình 4-6 Tiến hành thực nghiệm trên hệ thống Ball_Beam tại phòng thí nghiệm khoa Điện tử 76 Hình 4-7.1 Đáp ứng đầu ra của mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu trƣớc khi có tín hiệu thích nghi 77 Hình 4-7.2 Đáp ứng đầu ra của mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu sau khi có tín hiệu thích nghi 78 Hình 4-7.3 Hệ số Kd khi thực nghiệm trên mô hình đối tƣợng 78 Hình 4-7.4 Hệ số Kp khi thực nghiệm trên mô hình đối tƣợng 78 Hình 4-7.5 Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng thực và mô hình mẫu trƣớc khi có tín hiệu thích nghi 79 Hình 4-7.6 Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng thực và mô hình mẫu sau khi có tín hiệu thích nghi 79 Hình 4-7.7 Hệ số Kp khi thực nghiệm trên mô hình thực 80 Hình 4-7.8 Hệ số Kd khi thực nghiệm trên mô hình thực 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật đạt rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Các hệ thống điều khiển đƣợc áp dụng các quy luật điều khiển kinh điển, điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh, điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo. Kết quả thu đƣợc là hệ thống hoạt động với độ chính xác cao, tính ổn định bền vững, và thời gian đáp ứng nhanh. Trong điều khiển công nghiệp có nhiều bộ điều khiến nhƣ PID truyền thống, PID thích nghi, LFFC (Learing Feed –Forword contronl) và LQG (Linear Quadratic Gaussan)… Nhƣng để giải quyết các vấn đề nhƣ điều khiển vị trí, điều khiển vận tốc, điều khiển mức… thì điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu là m . Trong hệ thống điều khiển tƣơng tự, các bộ điều khiển sử dụng thiết bị liên tục và những mạch điện. Trong hệ thống điều khiển số, các bộ điều khiển sử dụng thiết bị số và các mạch điện. Lựa chọn giữa hệ thống điều khiển tƣơng tự và điều khiển số phụ thuộc vào các ứng dụng, điều kiện yêu cầu cụ thể. Lợi thế quan trọng của hệ thống điều khiển tƣơng tự vƣợt hơn điều khiển số là ở bên trong hệ thống điều khiển tƣơng tự, bất kỳ sự thay đổi trong cả đáp ứng đầu vào tham khảo hoặc rối loạn hệ thống ngay lập tức cảm nhận đƣợc, và các bộ điều khiển điều chỉnh đầu ra sao cho phù hợp [1]. Tuy nhiên, các bộ điều khiển tƣơng tự đƣợc đề nghị sử dụng trong các hệ thống không phức tạp, tinh vi. Trong thực tế, hầu hết các hệ thống điều khiển tƣơng tự đã dùng các mạch khuếch đại thuật toán nhƣ các khối xây dựng cơ bản. Mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử hiện nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Mạch KĐTT thƣờng đƣợc gọi tắt là OP-AMP là 1 mạch khuếch đại “ DC couple “ với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai và thông thƣờng đầu có đầu ra đơn [2]. Những thiết bị khuếch [...]... lý thuyết điều khiển và hệ thống thực Đây là một đề tài kết hợp giữa kỹ thuật thu thập tín hiệu và các bộ điều khiển vòng kín nhằm tạo ra một hệ thống có tính tự động hóa thích nghi theo mô hình mẫu( MRAS) và thiết kế chế tạo bộ thích nghi theo mô hình mẫu( MRAS) sử dụng khuếch đại thuật toán Phƣơng pháp nghi n cứu của đề tài nhƣ sau: , thiết kế, chế tạo bộ điều khiển sử dụng khuếch đại thuật toán - Kiểm... hiệu quả trong nghi n cứu và phát triển hệ thống điện- cơ Đề tài Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) sử dụng khuếch đại thuật toán với đối tƣợng đƣợc lựa chọn là hệ thống Ball and Beam (Bóng và thanh), điều khiển chính xác vị trí của quà bóng (ball) trên thanh (beam) với các bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu( MRAS) sử dụng mạch khuếch đại thuật toán là cầu nối... quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink và thực nghi m trên mô hình thực Luận văn bao gồm các phần chính nhƣ sau: Chương 1: Giới thiệu- Xây dựng mô hình hệ thống “ Ball and Beam Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS Chương 3: Thiết kế và mô phỏng thuật toán thích nghi theo mô hình. .. quán tính ball 7,0114.10-7(kg.m2) Jm Momen quán tính động cơ 3,5136.10-5(kg.m2) Ku 10(v/vòng) 1.5 Mô hình đối tƣợng trên Matlab/Simulink Mô hình tuyến tính Hình 1-13 Mô hình tuyến tính của đối tượng Ball&Beam 1.6 Động lực cho việc sử dụng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) Trong hệ thống điều khiển Bóng và thanh rất nhiều yếu tố tác động làm ảnh hƣởng đến sự ổn định vị trí viên bi trên thanh... Các hệ thống điều khiển đƣợc áp dụng các quy luật điều khiển cổ điển, điều khiển hiện đại, cho tới điều khiển thông minh, điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo Kết quả thu đƣợc là hệ thống hoạt động với độ chính xác cao, tính ổn định bền vững, và thời gian đáp ứng nhanh Trong điều khiển công nghi p có nhiều bộ điều khiến nhƣ PID truyển thống, điều khiển thích nghi, LFFC ( Leaning Feed – Forward Control) LQR... mô hình này là động cơ có mô men nhỏ hơn để điều khiển vì có sử dụng đòn bẩy Nhƣợc điểm của dạng này là khó trong thuật toán điều khiển Dạng 2: Hình 1-2 Mô hình Ball beam dạng 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 Dạng này thanh đƣợc đỡ ở trung tâm Trục quay đƣợc gắn cố định trên thanh và quay đƣợc trên giá đỡ Ƣu điểm của dạng này là dễ xây dựng mô hình và thuật toán điều. ..2 đại sử dụng mạch KĐTT cung cấp rất nhiều lợi ích cho ngƣời thiết kế Những thuật toán nhƣ cộng, trừ, nghịch đảo, vi phân, tích phân… sẽ đƣợc sử dụng trong mạch KĐTT [2] Thực tế , rất nhiều hệ thống điều khiển liên tiếp có thể có cấu trúc sử dụng KĐTT Các mạch điện tử sử dụng KĐTT có thể đƣợc sử dụng cho hầu hết các hệ thống vật lý cũng nhƣ mô phỏng điện tử tƣơng tự đã đƣợc sử dụng có hiệu... toán dòng điện biến thiên khá phức tạp Công ty Megachem (Link tham khảo [2]) Công ty Megachem là một công ty chuyên sản xuất các thiết bị dành trong học tập Đặc biệt chuyên về các mô hình trong lĩnh vực điều khiền hệ thống Công ty Megachem đã có nhiều sản phẩm nhƣ: mô hình điều khiền cánh tay rô bốt 3 tới 5 bậc tự do, mô hình điều khiển hệ thống con lắc ngƣợc, mô hình điều khiển mức, và một số mô hình. .. SRV2 Hình 1-8 Hình ảnh bộ thí nghi m Tình trạng bộ thí nghi m: Đây là bộ thí nghi m điều khiển động cơ servo của hãng Lab_ Volt nhƣng thông tin về sản phẩm, phần mềm điều khiển cũng nhƣ máy tính chuyên dụng đều không còn nữa Mặt khác các linh kiện đã lâu năm nên một số đã không còn chính xác nữa Đây cũng là một khó khăn nhỏ trong việc nghi n cứu mô hình thí nghi m này Nhƣng bộ thí nghi m thực chất vẫn... hình mẫu( MRAS) điều khiển ổn định vị trí của viên bi trên thanh thẳng Chương 4: Thực nghi m Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 CHƢƠNG I GIỚI THIỆU – XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG “BALL AND BEAM” 1.1 Mô tả hệ thống “Ball and Beam” 1.1.1 Đặt vấn đề : Ngày nay, khoa học kỹ thuật đạt rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa Các hệ thống điều khiển đƣợc áp dụng