nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén

Với mục tiêu nhận dạng mô hình, thiết kế bộ điều khiển bền vững và chính xác cho mô hình thực tế, đề tài “Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén” được thực hiện với mục

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NHẬN DẠNG MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU

KHIỂN VỊ TRÍ XY LANH KHÍ NÉN

Huỳnh Thanh Hiệp 1111086 TS Ngô Quang Hiếu

Cần Thơ, tháng 5 năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NHẬN DẠNG MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU

KHIỂN VỊ TRÍ XY LANH KHÍ NÉN

Huỳnh Thanh Hiệp TS Ngô Quang Hiếu

Luận văn được bảo vệ tại:

Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ môn Tự Động Hóa, Khoa Công Nghệ,

Trường Đại học Cần Thơ vào ngày: 23/05/2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

1 Thư viện Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ

2 Website: http://www.ctu.edu.vn

KHOA CÔNG NGHỆ

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Nguyễn Huỳnh Anh Duy

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Trần Nhựt Thanh

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Phạm Trần Lam Hải

LỜI CAM ĐOAN

Hiện tại, phòng thí nghiệm Thủy lực và Khí nén được trang bị bộ thí nghiệm điều khiển vị trí xy lanh khí nén Với mục tiêu nhận dạng mô hình, thiết kế bộ điều

khiển bền vững và chính xác cho mô hình thực tế, đề tài “Nhận dạng mô hình và

điều khiển vị trí xy lanh khí nén” được thực hiện với mục tiêu là thiết kế bộ điều

khiển vị trí đáp ứng việc điều khiển vị trí của hệ thống Vì vậy em chọn đề tài này để làm luận văn tốt nghiệp cho mình

Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn chế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và

thành quả của em đạt được dưới sự hướng dẫn của thầy NGÔ QUANG HIẾU

Em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo luận

văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước nào

Nếu không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường

Cần Thơ, ngày 23 tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Qua nhiều năm tháng em đã các Thầy, Cô trong trường Đại học Cần Thơ nói chung và các Thầy, Cô Khoa Công Nghệ nói riêng tận tình chỉ bảo và truyền đạt kiến thức về chuyên môn, các kiến thức chuyên ngành giúp em mở mang tri thức, bên cạnh

đó còn giáo dục về tư cách và đạo đức của một kỹ sư Đây là hành trang vô cùng quý báo giúp em trong cuộc sống sau khi ra trường Một lần nữa em xin chân thành cảm

ơn quý Thầy, Cô trường Đại học Cần Thơ

Đặc biệt, người em xin chân thành cảm ơn đến TS Ngô Quang Hiếu đã tận

tình, chỉ dẫn, giúp đỡ, hướng dẫn và đưa ra lời khuyên hữu ích và tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em về trang thiết bị và cơ sở vật chất để giúp em hoàn thành luận văn này

Cảm ơn thầy cố vấn học tập thầy Trần Nhựt Thanh, Võ Minh Trí, Nguyễn Chánh Nghiệm đã giảng dạy và định hướng cho em trong suốt quá trình học tập

Cảm ơn thầy Nguyễn Minh Luân, Phạm Trần Lam Hải, Nguyễn Văn Khanh

và các thầy trong Bộ môn Tự Động Hóa, Bộ môn Kỹ thuật cơ khí và các Bộ môn khác tận tình giúp đỡ em trong thời gian học tập tại trường

Cảm ơn các bạn Nguyễn Văn Tuấn Hải, Nguyễn Tuấn Kiệt, Nguyễn Thành Long, Lâm Chí Cường anh Nguyễn Thanh Phong và các bạn trong nhóm máy “Đếm tôm giống có năng suất 6000con/ giờ” và các bạn bè trong lớp kỹ thuật cơ điện tử K37 đã động viên và giúp đỡ em

Sau cùng, em xin chân thành tri ân vô vàn đến đấng xin thành và các thành viên trong gia đình đã tạo điều kiện và giúp đỡ và hỗ trợ về mặt tinh thần và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành được ước mơ học tập tại trường Đại học Cần Thơ

Sinh viên thực hiện đề tài

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 ii

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2 iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TĂT x

TÓM TẮT 1

ABSTRACT 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 ĐẶT VẮN ĐỀ 2

1.2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI 6

1.3.1 Mục tiêu của đề tài 6

1.3.2 Phạm vi của đề tài 7

1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT 7

1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC 8

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1.1 Mô hình hóa hệ khí nén 8

2.1.2 Bộ điều khiển PID và mô hình tương đương vòng kín 15

2.1.3 Bộ điều khiển trượt (Sliding mode control, SMC) 16

2.1.4 Bộ điều khiển trượt SMC kiểu PID 19

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 24

3.1 NỘI DUNG 24

3.1.1 Nhận dạng mô hình 24

3.1.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 26

3.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 31

3.2.1 Kết quả mô phỏng 31

3.2.2 Kết quả thực nghiệm 32

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

4.1 KẾT LUẬN 39

4.2 KIẾN NGHỊ 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 1: NI myRIO-1900 44

PHỤ LUC 2: MẠCH TĂNG ÁP TĂNG DÒNG 47

PHỤ LỤC 3: XY LANH KHÍ NÉN 48

PHỤ LỤC 4: CẢM BIẾN VỊ TRÍ 49

PHỤ LỤC 5: VAN 50

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống làm việc 8

Hình 2.2: Sơ đồ van 5 cửa 3 vị trí của FESTO 9

Hình 2.3: Giản đồ lưu lượng theo điện áp của van FESTO 9

Hình 2.4: Sơ đồ khối vòng điều khiển PID 15

Hình 2.5: Đồ thị của hàm 𝒔𝒊𝒈𝒏(𝒙), 𝒔𝒂𝒕(𝒙), 𝒕𝒂𝒏𝒉(𝒙) 18

Hình 2.6: Hiện tượng dao động quanh mặt trượt 18

Hình 2.7: Bộ điều khiển SMC-PID 22

Hình 3.1: Code LabVIEW xác định tín hiệu vào ra 24

Hình 3.2: Tín hiệu vào ra của hệ thống 25

Hình 3.3: Hộp công cụ nhận dạng hệ thống trong Matlab 25

Hình 3.4: Tỷ lệ phần trăm phù hợp nhất với mô hình hàm truyền khác nhau 26

Hình 3.5: Đáp ứng của hệ thống khi chưa có hàm truyền 27

Hình 3.6: Mô phỏng hệ thống vòng kín của hệ thống có PID 27

Hình 3.7: Công cụ tự dò tìm thông số PID của Matlab 28

Hình 3.8: Đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều khiển PID 29

Hình 3.9: Đồ thị PID đáp ứng có độ vọt lố lớn 31

Hình 3.10: Đáp ứng hệ thống với PID và SMC-PID 32

Hình 3.11: Mô hình thí nghiệm của hệ thống 33

Hình 3.12: Kết quả thực nghiệm đáp ứng PID 34

Hình 3.13: Code LabVIEW điều khiển xylanh khí nén 35

Hình 3.14: Kết quả thực nghiệm đáp ứng của SMC-PID 36

Hình 3.15: Kết quả thực nghiệm vị trí khác nhau của SMC-PID 36

Hình 3.16: Đồ thị vị trí xy lanh hướng xuống dùng SMC-PID 37

Hình 3.17: Đồ thị so sánh PID, SMC-PID 37

Hình 3.18: Biểu đồ so sánh các thông số SMC-PID vàPID 38

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các thông số đáp ứng của PID, SMC-PID 32Bảng 3.2: Thông tin các thành phần thiết bị hệ thống 34Bảng 3.3: Thông tin các thành phần mạch giao tiếp 35

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TĂT

1 Kí hiệu

Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa

c - hệ số giãn nở nhiệt

C d - hệ số xả của cửa van

𝑐𝑝 J/Kg nhiệt dung riêng đẳng áp

𝑐𝑣 J/Kg nhiệt dung riêng đẳng tích

𝑡𝑝 S thời gian lên đỉnh

𝑢 - tín hiệu điều khiển

𝑉 - luật điều khiển PID

𝜔1 rad/s cận dưới của 𝜔

𝜔2 rad/s cận trên của 𝜔

𝜔𝑛 rad/s tần số dao động tự nhiên

𝜔𝑛1 rad/s tần số dao động tự nhiên hàm truyền mới

𝜔̂𝑛 rad/s khoảng ước lượng của tần số dao động tự nhiên

CDM Coefficient Diagram Method

CSLM Continuous Sliding Mode Control

GUI Graphical User Interface

PI Proportional-Integral

PD Proportional- Derivative

PID Proportional Integral Derivative

SMC Sliding Mode Control

SMC-PID Sliding Mode Control Using Proportional Integral Derivative MLO Analogue displacement encoder

TÓM TẮT

Trong báo cáo này, tác giả tập trung nghiên cứu để giải quyết bài toán điều khiển vị trí cho xy lanh khí nén Hệ xy lanh khí nén bao gồm một xy lanh khí nén không trục và van điều khiển tuyến tính Do tính phi tuyến của hệ thống quá cao và không đủ các thiết bị đo lường cần thiết dùng để xác định thông số của mô hình nên phương pháp nhận dạng mô hình toán học được sử dụng Hộp công cụ System Identification của Matlab® tiếp nhận giá trị đo lường ngõ vào và ngõ ra của hệ thống,

xử lý và xấp xỉ mô hình toán bởi mô hình đề nghị Mô hình này được sử dụng để thiết

kế bộ điều khiển vị trí Bộ điều khiển vị trí đề xuất là sự kết hợp giữa bộ điều khiển PID và bộ điều khiển trượt (SMC) Thông số bộ điều khiển PID được tinh chỉnh để đảm bảo đạt được giá trị xác lập trong thời gian ngắn nhất Khi đó, độ vọt lố của hệ thống sẽ xuất hiện và bộ điều khiển SMC sẽ triệt tiêu độ vọt lố trong khi vẫn giữ nguyên thời gian xác lập Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày nhằm thể hiện tính hiệu quả của bộ điều khiển được đề nghị

Từ khóa: Điều khiển trượt, PID, Điều khiển trượt kiểu PID, Xy lanh khí nén

ABSTRACT

In this research, the author focused on the position control of a pneumatic system The pneumatic system consist of a pneumatic cylinder, a propotional control valve Due to the high nonlinearity of pneumatic system and lack of measurement equipment to deal with the system parameters, the system identificaion method was used to obtaine the approximility model This model was used to design the control algorithm The proposed control law is a combination of PID control and settle mode control (SMC) PID gains were tuned to increase the system performance (decrease setling time, reduce the steady state error) SMC was used to eliminate the system overshoot while keeping the same setling time Simulation and experimental results were provided to show the effective of the proposed control law

Keyword: Sliding Mode Control, PID, Sliding Mode Control - Proportional Integral Derivative, Xylanh Pneumatic

Trong những năm gần đây lĩnh vực khoa học công nghệ Việt Nam phát triển vượt bậc trong các ngành như: điện tử, công nghệ thông tin và cơ khí và robot, vi xử

lý, máy bay không người láy Góp phần thúc đẩy chúng ta phải phát triển các giải thuật ngày càng chính xác cao và điều khiển thuận lợi phù hợp với nhu cầu công việc cần Tuy nhiên các đối tượng điều khiển là hệ phi tuyến có tham số không được biết trước là hằng số thay đổi theo thời gian và chịu ảnh hưởng của tác động nhiễu Đối tượng đơn giản một ngõ vào, một ngõ ra (single input, single output, SISO) cũng đặt

ra những yêu cầu phải điều khiển hoàn thiện hơn để càng ngày càng đáp ứng cho đời sống Bên cạnh đó, cũng như hệ nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra (multi input, multi output, MIMO) cần thiết kế phù hợp

Trong hệ khí nén điều khiển xy lanh được xem là một đối tượng điều khiển là

hệ thống động lực phi tuyến có một ngõ ra, nhưng do đặc tính giản nở của khí nén, thiết bị không tốt và tham số không chính xác Vì thế, muốn điều khiển chính xác, tốc độ cao cần thiết kế bộ điều khiển và thuật toán phải hoàn thiện hơn bộ điều khiển kinh điển

Trong các kỹ thuật điều khiển, việc bám theo quỹ đạo vào tác động nhanh là rất cần thiết Trước đây nhiều đề tài nghiên cứu dùng bộ điều khiển kinh điển và giải thuật điều khiển giản đồ hệ số (CDM, Coefficient Diagram Method), giải thuật CDM

có tính năng ưu việt hơn PID nhưng tìm thông số nhưng chỉ áp dụng hệ bậc thấp Nhận thấy điều khiển trượt (SMC, Sliding Mode Control) có khả năng thay thế với các đặc điểm điều khiển đơn giản, đáp ứng quá độ tốt, không đòi hỏi mô hình tương đối chính xác.Trong quá trình thiết kế nhận thấy giải thuật SMC cũng có cũng tồn tại

hiện tượng rung chattering, để khắc phục điều đó đề tài dùng điều khiển trượt dạng PID kinh điển

1.2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

Hiện nay, kỹ thuật khí nén phát triển, việc điều khiển bằng phần tử logic ngày càng không đáp ứng được nhu cầu phức tạp trong quá trình điều khiển Cùng với việc phát triển của ngành tự động hóa dựa vào kỹ thuật nén khí ngày càng mạnh mẽ Chính

vì sự phát triển mạnh của khí nén nên nhiều giải thuật và ứng dụng đã xuất hiện

Ở ngoài nước, Điển hình là bộ điều khiển kinh điển vi tích phân tỉ lệ (PID) Trong ứng dụng điều khiển vị trí, các bộ điều khiển PID vẫn còn phổ biến trong điều khiển vị trí vì chúng đa dụng và không yêu cầu thiết kế phức tạp Đáp ứng của một

bộ điều khiển PID có thể được cải thiện bằng cách tinh chỉnh các hệ số bộ điều khiển Nhiều phương pháp đã được phát triển để điều chỉnh bộ điều khiển PID Hầu hết các phương pháp này đều tập trung để có được một đáp ứng chấp nhận được dựa trên các chỉ tiêu về độ ổn định, thời gian tăng và thời gian xác lập của hệ thống mà ít chú ý tới

độ vọt lố của đáp ứng

Một cách tổng quát có hai phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID Phương pháp điều chỉnh bằng tay dựa trên hiểu biết về ảnh hưởng của từng hệ số bộ điều khiển để lần lượt tinh chỉnh các độ lợi tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) cho đến khi đạt được đáp ứng mong muốn Cách làm này mất rất nhiều thời gian và nhiều khi không thể đạt được đáp ứng mong muốn vì sự ảnh hưởng qua lại giữa các thông số

bộ điều khiển Để tăng tốc quá trình điều chỉnh, nhiều phương pháp điều chỉnh tự động đã được đề nghị [4-7-10-19-31-36] Trong đó, nổi bật nhất là phương pháp Ziegler-Nichols [16] Phương pháp Ziegler-Nichols chỉ tạm chấp nhận được và các thông số điều khiển cần phải được tinh chỉnh lại để có được đáp ứng mong muốn Lý

do là các phương pháp này dựa vào tiêu chí biên độ dao động tắt dần một phần tư để đạt được đáp ứng chấp nhận được sao cho cân bằng giữa độ ổn định và thời gian lấy mẫu tương ứng với thời gian tắt dần 0.21s và độ vọt lố 20% [34]

Sau đó một phương pháp cũng khác được áp dụng là phương pháp giản đồ hệ

số (CDM) đã được phát triển để giải quyết bài toán này CDM là một cách tiếp cận

đại số nhằm đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển sử dụng đa thức đặc trưng

đã cho và đưa ra thông tin đầy đủ đối với tính ổn định, khả năng đáp ứng và độ bền vững trong giản đồ đơn Tiếp đó, đã khảo sát hiệu suất của hai bộ điều khiển PI và CDM trên quá trình trao đổi nhiệt phi tuyến Bộ điều khiển CDM có khả năng cao tính bền vững của hệ thống chống lại sự ma sát của piston, vùng chết của van và sự giản nở của không khí Kết quả đạt khả quan và độ chính khá cao 99% thời gian lên 0.28s và thời gian quá độ 0.39s [28] Tuy nhiên điểm hạn chế của giải thuật chỉ có thể điều khiển bậc thấp

Điều khiển kiểu trượt liên tục (CSLM) được trình bày bằng thực nghiệm là bền vững hơn điều khiển kiểu tỷ lệ - vận tốc - gia tốc thông thường hay điều khiển tỷ lệ -

vi phân - hồi tiếp [32] Kiểu trượt liên tục có thể giữ được hiệu suất làm việc khi khối lượng tải bị thay đổi Tuy nhiên, điểm hạn chế của CSLM là yêu cầu các chế độ lấy mẫu khá cao, do đó việc nghiên cứu với kiểu trượt gián đoạn cần được quan tâm Kết quả là thời gian quá độ dưới 2 giây và vị trí chính xác hơn 0.2 mm cho ba tải khối lượng là 2.2, 8.5 và 25 kg Sau đó, một kỹ thuật điều khiển PID cơ bản cho hệ thống truyền động khí nén servo đã được phát triển [38] Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy vai trò của hồi tiếp gia tốc là tương tự như hồi tiếp độ chênh lệch áp suất đối với sự ổn định của hệ thống truyền động khí nén Một kỹ thuật điều khiển PID được trình bày trong nghiên cứu này cải thiện sự ổn định của hệ thống truyền động khí nén

và cân bằng cho hệ thống phi tuyến

Một bước phát triển mới của việc điều khiển vị trí bằng LabVIEW™ cho xy lanh khí nén [11] đã chứng minh rằng hệ thống khí nén servo có thể dùng cho điều khiển vị trí chính xác bền vững, không chỉ di chuyển tại hai vị trí dừng đầu và cuối Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển kiểu trượt được đề xuất cho ra đáp ứng nhanh và tính năng quá độ tốt Ngoài ra, hệ thống điều khiển còn rất bền vững với sự biến thiên của các tham số hệ thống và nhiễu bên ngoài mà không cần mô hình hóa chính xác Nhưng các giải thuật trên vẫn còn hạn chế tìm thông số bằng tay nên khả năng tối ưu của hệ thống là rất khó khăn Chính vì thế điều khiển thích nghi hệ phi tuyến [25] hướng đến nghiên cứu giải quyết các bài toán bất định hoặc không rõ các thông số của mô hình dựa trên điều khiển thông minh cũng như điều khiển mờ và

điều khiển dùng mạng noron được trình bày trong [24-37] Tuy nhiên hàm chặn dùng cho thiết kế thành phần bền vũng là các giá trị hằng được chọn trước, vì vậy chất lượng điều khiển vẫn phụ thuộc vào việc lựa chọn các giá trị hằng khi thiết kế thành phần điều khiển bền vững Nhược điểm của phương pháp này là phải đánh đổi giữa chất điều khiển và tính bền vững của hệ thống [25] Kể từ mạng nơ ron được sử dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mạng nơ ron lan truyền ngược đã được

sử dụng để nhận dạng mô hình truyền động điện – thủy lực Trong những năm gần đây, mạng nơ ron đã được phát triển theo hình thức nhận dạng trực tuyến sử dụng phương pháp mạng nơ ron hồi quy bậc cao

Sau này Gyeviki đã điều khiển trượt để điều khiển vị trí xy lanh khí nén bằng cổng giao tiếp LabVIEW™ tương đối đã chứng minh được điều khiển trượt cho phép phản ứng nhanh chóng tốt hơn Hơn nữa, hệ thống phản ứng mạnh mẽ hơn các đố tượng nhiễu bên ngoài và không cần mô hình chính xác [11].Nhưng vẫn còn hiện tương ầm ầm do dao động liên tục quanh mặt trượt

Sau này, giải thuật điều khiển trượt (Sliding mode control, SMC) đã phát triển Với đặc tính có khả năng khử nhiễu, làm giảm bậc hệ thống của hàm truyền Đáp ứng tốt và tính bền vững cao Mà cụ thể ứng dụng vào điều khiển vị trí rất khả quan [39] Kết quả thực tế rất khả quan, đáp ứng thực tế đáp ứng tốt, sai lệch 0.82% so với PID 6.49% Tuy nhiên, khi thiết kế giải thuật phải biết rõ mô hình và hiện tượng dao động tần số cao tăng lên Mặc khác, việc chỉnh định các tham số của bộ điều khiển trượt này cho từng đối tượng phi tuyến khó khăn hơn bộ điều khiển PID bền vững

Điều khiển trượt (Sliding mode control - SMC) được ứng dụng nhiều trong 20 năm gần đây [34] Ý tưởng cơ bản của điều khiển trượt là ép buộc quỹ đạo hệ thống hướng tới một mặt trượt và giữ nó trên bề mặt này bởi một luật chuyển đổi (switching rule) Điều khiển trượt làm giảm bậc của hệ thống, vì vậy dễ đạt được đáp ứng mong muốn Thêm vào đó, với đặc tính ổn định cao (robustness), điều khiển trượt đối phó tốt với tính phi tuyến, nhiễu và sai số mô hình hóa Tuy nhiên để thiết kế được bộ điều khiển trượt, cần phải biết mô hình của hệ thống hoặc ít nhất là biết mô hình gần đúng của hệ thống cần điều khiển Ý tưởng kết hợp điều khiển PID và SMC đã được phát triển trong [35] với bộ điều khiển PID nằm ở vòng trong và SMC ở vòng

ngoài Chứng minh điều khiển trượt kiểu PID có tính ưu việt hơn trong việc điều khiển vị trí

Tình hình trong nước, một số trường đại học cao đẳng ở trong nước đã bắt đầu tìm hiểu và nghiên cứu nhiều về mô hình hóa điều khiển vị trí xy lanh khí nén Điển hình trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Bách khoa Tp Hồ Chí Minh là các đơn vị hàng đầu trong các bài báo nghiên cứu, tài liệu chuyên sâu với độ tin cậy cao Trong

đó các đề tài về điều khiển trượt còn ít

Hiện tại, ở trong nước đã bắt đầu tiếp cận giải thuật trượt dạng vi tích phân tỷ

lệ (SMC-PID, Sliding Mode Control Using Proportional Integral Derivative) Cụ thể

ở trường Đại học Cần Thơ có một số đề tài luận văn và nghiên cứu về điều khiển vị trí xy lanh khí nén Đó là đề tài “Thiết kế bộ điều khiển vị trí xy lanh khí nén” [28]

và bài báo khoa học của Trần Thanh Hùng, Ngô Quang Hiếu, Quang Hà với đề tài

“Điều khiển vị trí với bộ điều khiển trượt – PID” [34]

Nhìn chung, các đề tài trong nước còn khá ít và trong trường Đại học Cần Thơ cũng rất ít Có cũng chỉ ứng dụng vào robot còn ít ứng dụng về vị trí xy lanh khí nén

Từ kết quả của những nghiên cứu trước cho thấy khả năng điều khiển vị trí của hệ thống khí nén bằng nhiều bộ điều khiển khác nhau cả phi tuyến lẫn tuyến tính và ứng dụng của SMC-PID trong lĩnh vực điều khiển các đối tượng có mô hình hàm truyền liên tục theo thời gian Do đó, đề tài này lần đầu tiên sử dụng phương pháp điều khiển trượt kiểu PID để thiết kế bộ điều khiển vị trí cho xy lanh khí nén (đối tượng phi tuyến)

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu này hướng mọi người đến cách giải quyết nhận dạng mô hình cho đối tượng phức tạp.nn

- Ứng dụng kit NI myRIO-1900 giao tiếp với máy tính bằng phần mềm LabVIEW™ vào điều khiển vị trí xy lanh với tốc độ lấy mẫu cao và đọc thời gian thực (real-time)

- Mở rộng hướng phát triển mới trong bộ thiết kế trượt kiểu PID (SMC-PID) và chứng minh đây là phương pháp ưu việt không cần biết hàm truyền chính xác của hệ thống

1.3.2 Phạm vi của đề tài

Do giới hạn về thời gian và thiết bị ứng dụng đã sử dụng lâu nên độ tin cậy chưa cao Vì thế đề tài chỉ dừng lại ở việc nhận dạng mô hình và ứng dụng thiết kế

bộ điều khiển mới vào điều khiển vị trí xy lanh khí nén

1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT

Đề tài được tiến hành bằng cách thu thập dữ liệu vào của xy lanh và nhận dữ liệu lại từ cảm biến vị trí Được hộp công cụ nhận dạng hệ thống (System Identification Toolbox) trong Matlab tìm mô hình của hệ thống Tiếp theo, dùng simulink của Matlab tìm thông số điều khiển và so sánh với thông số điều khiển thực

tế làm tăng tính chính xác của mô hình Mà cụ thể giải thuật điều khiển ở nghiên cứu này là kết hợp giữa PID và SMC hay còn gọi là điều khiển trượt kiểu vi tích phân tỷ

lệ (SMC-PID) Để có đáp ứng mong muốn thông số PID phải hiệu chỉnh thích hợp Bằng cách sử dụng điều chỉnh bằng tay hoặc tính toán Tuy nhiên, giải thuật có sự đánh đổi giữa thời gian xác lập với độ vọt lố Nếu xác lập nhanh phải hy sinh có độ vọt lố cao Vì thế, đề tài lấy thông số khi PID xác lập nhanh nhất, đưa thông số vào hàm truyền của điều khiển trượt để khắc phục tình trạng vọt lố cao mà vẫn giữ thời gian xác lập của PID

1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO

Phần tiếp theo của bài báo cáo được trình bày như sau:

Chương 2: Trình bày về lịch sử phát triển nghiên cứu, tìm mô hình toán học, giới thiệu giải thuật PID, SMC, và SMC-PID

Chương 3: Trình bày kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Chương 4 Cuối cùng, luận văn sẽ được kết thúc bằng việc tổng hợp kiến thức để đưa

ra các kết luận và kiến nghị những hướng giải quyết tốt nhất cho vấn đề ở tương lai Ngoài ra, phần còn lại gồm tài liệu tham khảo và các phụ lục

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC

ra ngoài khí quyển chống quá áp Chính sự dịch lưu lượng khí vào trong xylanh làm

xuất hiện chênh lệch áp suất Giúp cho xy lanh di chuyển một vị trí x

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống làm việc [13]

Động lực van lưu lượng

Để điều khiển được vị trí xy lanh của bộ truyền động khí nén chúng ta có thể thực hiện bằng cách đọc tín hiệu cảm biến trả về được xem như là một hệ thống vòng kín Để thực hiện được điều đó chúng ra cần khảo sát các thiết bị Để điều khiển đến đúng vị trí mong muốn thì van đóng ngắt phải đóng ngắt liên tục Hình 2.2 cho thấy được quá trình di chuyển dòng khí, nó quyết định quá trình điều khiển thông qua điện

áp điều khiển, điện áp làm việc từ 0 đến 10V Hình 2.3 cho thấy ở đây van có thể chia

ra làm hai chế độ làm việc Tín hiệu điện điều khiển từ 0V - 5V sẽ đưa khí từ cửa số

1 sang cửa số 2, tín hiệu điện từ 5V -10V sẽ đưa khí từ cửa số 1 đến cửa số 4 Lưu lượng khí qua van được xem như tỉ lệ với tín hiệu điện điều khiển

Hình 2.2: Sơ đồ van 5 cửa 3 vị trí của FESTO [9]

Hình 2.3: Giản đồ lưu lượng theo điện áp của van FESTO [9]

Trong quá trình xác định mô hình của hệ thống các thiết bị có tham gia vào điều khiển điều có ảnh hưởng đến việc xác định mô hình Mối liên hệ điều khiển tín hiệu

đặt (setpoint) u và vị trí di chuyển van, x, được gọi là độ khuếch đại k v Tuy nhiên, các tài liệu liên quan của nhà sản suất động lực học ống quan được mô tả đầy đủ hơn bằng một hàm trễ bậc nhất [9]:

,





u k x

trong đó,  thể hiện cho hằng số thời gian của ống van bậc nhất

Phụ thuộc vào việc thiết kế van, việc tồn tại một lưu lượng bất đối xứng tại vùng chết Vùng chết là quan hệ đầu vào - ra ổn định tại một phạm vi nào đó giá trị ngõ vào sẽ cho ra giá trị ngõ ra là không Mặc dù tồn tại một tín hiệu điều khiển khác không trong phạm vi vùng chết nhưng lưu lượng qua van là không Điều này cho thấy các ống van có thể được coi như luôn luôn ở vị trí trung gian trong khi tín hiệu điều khiển trong phạm vi vùng chết Mô hình của lưu lượng ở vùng chết được thực hiện bằng cách xem xét không có tín hiệu điều khiển bên trong vùng chết Thông thường mối quan hệ giữa tiết diện cửa biến đổi 𝐴𝑣 của cửa van và độ dịch chuyển của van

v

x trong van được mô hình hóa theo loại được sử dụng Do đó, việc xác định các mối quan hệ là cần thiết trước khi mô hình hóa

Mối quan hệ tuyến tính giữ tiết diện cửa biến đổi 𝐴𝑣 và độ dịch chuyển ống van

𝑥𝑣 thích hợp trong nghiên cứu này là:

Mô hình toán cho lưu lượng theo khối lượng định mức 𝜓(𝑃𝑢,𝑃𝑑) của cửa tiếc diện cố định của cửa van Áp suất dòng xuống 𝑃𝑑 bằng áp suất buồng 𝑃𝑖 khi nạp và bằng áp suất khí quyển 𝑃𝑎𝑡𝑚 khi xả Tương tự, áp suất nguồn cấp 𝑃𝑠 khi nạp và bằng

áp suất buồng 𝑃𝑖 khi xả Trạng thái của lưu lượng theo khối lượng định mức 𝜓(𝑃𝑢, 𝑃𝑑)

có thể được trình bày bỏi quy luật đổi bên dưới:

𝜓(𝑃𝑢, 𝑃𝑑) = {𝜓(𝑃𝜓(𝑃𝑥, 𝑃𝑖) 𝐴𝑣 ≥ 0,

𝑖, 𝑃𝑎𝑡𝑚) 𝐴𝑣 ≤ 0 (2.3) trong đó dấu của tiết diện biến đổi của van 𝐴𝑣 để chuyển đổi giữa nạp (𝐴𝑣 ≥ 0) và xả

𝐴𝑣 ≤ 0, tương ứng

Lưu lượng theo khối lượng định mức 𝜓(𝑃𝑢, 𝑃𝑑), trình bày một hệ phi tuyến cố định nhờ sự bão hòa của lưu lượng khối qua tiết diện cố định của cửa van Một áp suất giới hạn lên 𝑃𝑢,𝑃𝑑

𝑃𝑢 quyết định bậc của lưu lượng bão hòa Áp suất giới hạn 𝑃𝑒𝑟được tính toán sử dụng hệ số giản nở 𝛼 được tính bởi mối quan hệ 𝑐:

trong đó, 𝑇 là nhiệt độ tuyệt đối của không khí và Cd là hệ số xả của của van, thường

cũng là đặc trưng của từng nhà sản suất Tham số C d phản ánh sự co lại của đường dẫn lưu lượng dòng xuống của cửa van làm giảm hiệu số lưu lượng qua tiết diện cửa

và lưu lượng theo khối lượng của không khí được suy ra bởi giả thiết lưu lượng qua van là một khí lý tưởng chịu một quá trình đẳng Entropi (quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch), điều này dẫn đến biến đổi lưu lượng theo khối lượng được biểu diễn:

𝑚̇2 = −𝐴𝑣𝜓2(𝑃𝑢, 𝑃𝑑), (2.8)

Khảo sát quá trình nạp xả đồng thời qua một thể tích biến đổi

Trong quá trình hoạt động của xy lanh còn ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường

và các loại rò rỉ khí có thể xảy ra Giả định rằng, mặc dù có hiện tượng rò rỉ khí và xả khí nhưng áp suất 𝑝 trong khoang làm việc 𝑉 vẫn tiếp tục tăng lên và piston của cơ cấu chấp hành khí nén chuyển động, thắng lực tải và thực hiện một công ngoại sai

Sử dụng khái niệm về lượng nhiệt của khối lượng trên cơ sở định luật I nhiệt động kỹ thuật, ta viết phương trình cân bằng nhiệt cho khoang làm việc dưới dạng:

𝑑𝑄𝑛+ 𝑑𝑄𝑐𝑣 − 𝑑𝑄𝑎 − 𝑑𝑄𝑐𝑟 − 𝑑𝑄 = 𝑑𝑈 + 𝐴 𝑑𝐿 (2.9)

ở đây: 𝑑𝑄𝑛, 𝑑𝑄𝑎, 𝑑𝑄𝑐𝑣, 𝑑𝑄𝑐𝑟 𝑣à 𝑑𝑄 tương ứng là các lượng nhiệt của khí nạp từ nguồn, từ khoang có thể tích hữu hạn vào thể tích V, từ thể tích V xả ra khí quyển, vào thể tích hữu hạn có áp suất nhỏ hơn và lượng nhiệt trao đổi với môi trường ngoài

dU: nội năng của khối khí trong thể tích V;

dL: công ngoại sai, thực hiện được do dãn nở khí trong thể tích V;

A: dương lượng công của nhiệt

𝑑𝑡𝑐𝑉𝑉𝜌𝑇 biễu diễn cho tỷ lệ thay đổi nội năng của không khí trong buồng,

𝑐𝑝𝑚̇𝑇 là nội năng lưu lượng của không khí đi vào hoặc ra khỏi buồng, 𝑃𝑉̇ là hệ số tại nơi mà công việc được thực hiện dựa trên sự chuyển động của piston, và 𝑄̇ là hệ số nhiệt qua xy lanh Quá trình nạp và xả giả định là đoạn nhiệt; vì vậy, 𝑄̇ có thể bỏ qua Khi đó, phương trình (2.13) trở thành:

Hệ khí nén sử dụng trong nghiên cứu này là một xy lanh không trục tác động kép (Hình 2.1) Theo định luật II Newton thì mô hình toán học của piston là:

trong đó ẍ là gia tốc của piston, M là khối lượng của piston khí nén, P∆ = P1− P2 là

sự chênh lệch áp suất tuyệt đối qua piston, và h là hệ số suy giảm không khí

Tóm lại, các phương trình phi tuyến biểu diễn truyền động khí nén được đưa ra như sau:

,





u k x

𝑚̇2 = −𝐴𝑣𝜓2(𝑃𝑢, 𝑃𝑑), (2.32) 𝑃̇1 = 𝑐𝑅𝑇

Nhưng do thiết bị còn hạn chế, không thể xác định các thông số cần thiết của hệ thống

Mô hình toán học là hệ thống truyền động hệ phi tuyến cao Để đơn giản hóa vấn dề, phương pháp xác định mô hình từ tín hiệu ngõ vào và ngõ ra được trình bày ở Chương

3 (mục 3.11)

2.1.2 Bộ điều khiển PID và mô hình tương đương vòng kín

Sơ đồ điều khiển vòng kín của PID được thể hiện Hình 2.4

Hình 2.4: Sơ đồ khối vòng điều khiển PID [34]

Luật điều khiển PID:

dt

de K dt e K e K V

d I

p

0 0

2.1.3 Bộ điều khiển trượt (Sliding mode control, SMC)

Đối tượng điều khiển trượt

Xét hệ phi tuyến biểu diễn bởi phương trình vi phân

d u y g y

y f

),.,.,,(), , ,

) (

x

x x

x x

x x

n

n x

).

( ) (

2 1

(2.43)

Vấn đề đặt ra là xác định luật điều khiển u để các quỹ đạo pha của hệ thống về mặt

trượt và duy trì quanh mặt trượt một cách bền vững đối với các biến động của 𝑓(𝑥)

và 𝑔(𝑥)

Giới thiệu mặt trượt

trong đó 𝑦(𝑡) là ngõ vào, 𝑟(𝑡) là ngõ ra

Tín hiệu s được biểu diễn như sau:

s=e(n−1)+𝜆n−1e(n−2)+…+ 𝜆2e·+𝜆1e, (2.46) trong đó 𝜆1,… , 𝜆n-1 là các hệ số được chọn trước sao cho đa thức đặc trưng của phương trình vi phân Hurwitz (có tất cả các nghiệm thực âm)

𝜆(n−1) + 𝜆n−1e(n−2) + … + 𝜆2e· + 𝜆1e = 0 (2.47) Khi đó các nghiệm của phương trình đặc trưng của (3.5) đều nằm bên trái mặt phẳng phức, nên 𝑒(𝑡) sẽ tới 0 khi 𝑡 tiến đến ∞ Phương trình 𝑠 = 0 xác định mặt cong 𝑠 trong không gian 𝑛 chiều gọi là mặt trượt (sliding surface) 𝑠

Để đối phó với tính phi tuyến của hệ thống, sai số mô hình hóa và các yếu

tố không xác định khác, cần thêm tín hiệu điều khiển ổn định:



Nguyên lý và thuộc tính của điều khiển trượt

Phương pháp điều khiển trượt là sự kết hợp của nhiều cấu trúc Nó cho phép tất cả các hệ thống chuyển thành các thành phần riêng lẻ có kích thước nhỏ hơn và

độ nhạy thấp dẫn đến sự biến đổi các thông số thiết bị và nhiễu Tất cả các thuộc tính

đó làm cho điều khiển trượt là một luật điều khiển có hiệu quả cho các thiết bị động lực bậc cao và trong điều kiện không ổn định Tuy nhiên, có sự nhiễu loạn, luật điều khiển không trở về mặt trượt, dao động tần số cao (Chattering) quanh mặt trượt

Hình 2.6

Hình 2.6: Hiện tượng dao động quanh mặt trượt

Kết luận: Bộ điều khiển trượt (Sliding mode cotrol, SMC) có thể làm giảm bậc của

hàm truyền và có độ bền vững cao vì vậy dễ đạt được đáp ứng mong muốn Thêm vào đó, với đặc tính ổn định cao (robustness), điều khiển trượt đối phó tốt với tính phi tuyến, nhiễu và sai số mô hình Từ những ưu điểm của bộ điều khiển PID có thể xác lập nhanh kết hợp với SMC ở vòng ngoài để khắc phục vọt lố của PID và vẫn giữ thời gian tăng

Sign(x)