Luận án tiến sĩ mô hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối vật liệu nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN DÂN MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN DÂN MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Quốc Cƣờng PGS TS Bùi Trung Thành Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: luận án “Mô hình hóa điều khiển dự báo hệ thống phân phối vật liệu nano” công trình nghiên cứu riêng đƣợc hoàn thành dƣới bảo tận tình hai thầy giáo hƣớng dẫn Các kết nghiên cứu luận án trung thực, phần đƣợc công bố tạp chí khoa học chuyên ngành với đồng ý đồng tác giả, phần lại chƣa đƣợc công bố công trình khác Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2017 Tác giả luận án Tập thể hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Quốc Cƣờng Bùi Văn Dân PGS.TS Bùi Trung Thành i LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quốc Cƣờng – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội PGS.TS Bùi Trung Thành – Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Hƣng Yên tận tình hƣớng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi, giúp thực hoàn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo, đồng nghiệp môn Kỹ thuật đo tin học công nghiệp – Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện giúp đỡ thời gian thực luận án, tham gia sinh hoạt môn Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo, đồng nghiệp Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện giúp đỡ khảo sát, thực nghiệm thời gian thực luận án Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô, anh chị, bạn bè đồng nghiệp Bộ môn Điều khiển Tự động hóa, Khoa Điện - Điện tử, Phòng đào tạo, đơn vị chức - Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng yên chia sẻ, đóng góp ý kiến, giúp đỡ, động viên vƣợt qua khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu Cuối cùng, biết ơn bố mẹ ngƣời thân gia đình quan tâm, động viên tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Xin dành lời yêu thƣơng cho vợ, gái trai yêu quý vƣợt qua khó khăn, vất vả sống trình nghiên cứu để hoàn thành luận án Một lần xin chân thành cám ơn ! Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2017 Tác giả luận án Bùi Văn Dân ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ IX MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu Tính cấp thiết luận án Mục tiêu luận án Đối tƣợng, phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Những đóng góp luận án: Bố cục luận án CHƢƠNG LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Bài toán hệ thống phân phối vật liệu nano 1.2 Tổng quan phần cứng hệ thống phân phối vật liệu 1.2.1 Khái niệm hệ thống phân phối vật liệu 1.2.2 Giới thiệu phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano 1.2.3 Tổng quan nghiên cứu phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano 10 1.3 Tổng quan nghiên cứu điều khiển vị trí 14 1.3.1 Nhóm phƣơng pháp điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực 14 1.3.2 Nhóm phƣơng pháp điều khiển trƣợt 17 1.3.3 Nhóm phƣơng pháp điều khiển tầng PID 20 1.3.4 Nhóm phƣơng pháp điều khiển kết hợp PID – Mờ nơ ron 23 1.3.5 Nhóm phƣơng pháp điều khiển tối ƣu bền vững thích nghi 26 1.3.6 Nhóm phƣơng pháp điều khiển dự báo 28 1.4 Kết luận 31 CHƢƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO NẰM NGANG VÀ MÔ HÌNH HÓA DƢỚI DẠNG HÀM TRUYỀN, MÔ HÌNH TRẠNG THÁI 34 2.1 Đặt vấn đề 34 2.2 Xây dựng cấu trúc điển hình hệ thống phân phối vật liệu nano 35 2.3 Xây dựng mô hình toán cho hệ thống phân phối vật liệu nano 36 2.3.1 Mô tả mô hình toán động DC 37 2.3.2 Mô tả hệ động hộp số khớp nối mềm với tải 38 2.3.3 Phƣơng trình toán học mô tả hệ thống phân phối vật liệu nano 42 2.4 Khảo sát mô Matlab 42 iii 2.5 Kết luận 49 CHƢƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 51 3.1 Đặt vấn đề 51 3.2 Xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển 51 3.3 Xây dựng điều khiển PID cho hệ thống phân phối vật liệu nano 55 3.3.1 Đặt vấn đề 55 3.3.2 Xây dựng điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano 55 3.4 Xây dựng điều khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano 64 3.4.1 Đặt vấn đề 64 3.4.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển dự báo 64 3.4.3 Xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo không gian trạng thái 66 3.4.4 Xây dựng điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân để xử lý nhiễu 68 3.4.5 Quan sát trạng thái nhờ lọc Kalman 71 3.4.6 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống theo phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân 73 3.4.7 Kết mô Matlab điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân 73 3.5 So sánh hai phƣơng pháp PID MPC 77 3.6 Kết luận 81 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 83 4.1 Giới thiệu cấu hình hệ thống thực nghiệm 83 4.2 Kết ứng dụng thực nghiệm 85 4.2.1 Trình tự thực 85 4.2.2 Kết thực nghiệm: 86 4.3 Kết luận 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95 Kết luận 95 Kiến nghị 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 103 PHỤ LỤC 104 Phụ lục 01: Tính toán chi tiết cấu chấp hành hệ thống phân phối vật liệu nano 104 Phụ lục 02: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano 118 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: A, B, C Ma trận trạng thái Aˆ , Bˆ , Cˆ Ma trận trạng thái mở Bm Ma sát nhớt (sẽ đƣợc xác định thực nghiệm) BL Hệ số ma sát nhớt ổ bi nối trục vít me Cs Hệ số tắt dần trục (độ cứng vững vật liệu) e Suất điện động phần ứng G Hằng số I Ma trận đơn vị Kt Hằng số mô men xoắn không đổi Kv Hằng số xuất điện động không đổi Km Hằng số mô men không đổi M Khoảng thời gian dự báo (Tầm dự báo – Receding horizon ) Q Hàm mục tiêu Tm Mô men xoắn động Ts Mô men trục truyền từ phía động đến tải Td Mô men nhiễu tải Tf Mô men ma sát trục động ia Dòng điện phần ứng Jm Mô men quán tính động Ra Trở kháng điện cảm La Điện cảm phần ứng v va Điện áp phần ứng động JL Hệ số quán tính phần trƣợt Jm Hệ số quán tính động ωm Vận tốc góc động ωl Vận tốc góc với tải α Góc giới hạn khe hở hộp số α0, α1, α2 Hệ số ma sát θs Góc lệch trục tải trục động θm Vị trí góc quay trục động m Vận tốc góc trục động m Gia tốc góc trục động θl Vị trí góc quay trục tải θd Góc lệch deadzone động tải θb Góc khe hở hộp số ws   s Vận tốc góc lệch trục tải động x  ( x1 , , x n ) T x (k), xk , {xk } Véc tơ phần tử x1, i=1,2, n, số T ký hiệu phép tính chuyển vị Giá trị dãy giá trị trích mẫu hàm thời gian x(t) thời điểm t = kTa với Ta chu kỳ trích mẫu yˆ Tín hiệu mở rộng xˆ Véc tơ trạng thái quan sát đƣợc uk Tín hiệu điều khiển dự báo vi Chữ viết tắt: Backlash Hiệu ứng khe hở CARE Control Algebraic Riccati Equation - Phƣơng trình Riccati điều khiển CNC Computer Numerical Control - Điều khiển máy tính Dead Zone Mode Góc chết hệ DMC Dynamic Matrix Control - Ma trận động học điều khiển GA Genetic Algorithm - Giải thuật di truyền GPC Generalized Predictive Control - Điều khiển dự báo tổng quát IFT Iterative feedback Tuning – Điều chỉnh phản hồi lặp LQR Linear Quadratic Regulator – Bộ điều chỉnh toàn phƣơng MEMS Micro-electromechical system - Công nghệ vi điện tử MPC Model Predictive Control - Điều khiển dự báo MAC Model Algorithmic Control - Thuật toán điều khiển theo mô hình PID Proportional Integral Derivative - Khâu tỷ lệ - tích phân – vi phân PSO Particle Swarm Optimization – Thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn RAM Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ROM Read Only Memory - Bộ nhớ đọc, ghi – xóa SISO Single Input Single Output - Một vào USB Universal Serial Bus - Chuẩn truyền liệu cho BUS (Thiết bị) ngoại vi) FPGA Field-programmable gate array - Mạch tích hợp cỡ lớn dùng cấu trúc mảng phần tử logic lập trình đƣợc Z-N Ziegler - Nichols vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tham số hệ thống phân phối vật liệu nano 43 Bảng 3.1 Tham số hệ thống nghiên cứu 56 Bảng 3.2 Kết khảo sát so sánh điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano 63 Bảng 3.3 Kết khảo sát so sánh điều khiển MPC thích nghi có thành phần tích phân 76 Bảng 3.4 Kết khảo sát thay đổi vị trí đặt 78 Bảng 3.5 Kết khảo sát thay đổi tải 80 Bảng 3.6 So sánh kết với toán đặt phần phạm vi nghiên cứu 82 Bảng 4.1 Chức khối mô hình hệ thống phân phối vật liệu nano 84 Bảng 5.1 Kết thực so sánh với toán đặt 95 viii Sơ đồ khối điều khiển hệ thống phân phối vật liệu nano đƣa hình 3.5 Máy Máy tính tính Giao Giao tiếp tiếp Interface Interface Nút Nút nhấn nhấn Hiển Hiển thị thị Bộ Bộ điêu điêu khiển khiển trung trung tâm tâm Mạch Mạch công công suất suất Cảm Cảm biến biến Hình 6.5 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống phân phối vật liệu nano Nguyên lý hoạt động hệ thống phân phối vật liệu đƣợc thực nhƣ sau: Bảng điều khiển đƣợc thiết kế thông qua giao diện đƣợc điều khiển máy tính, để thực tính toán tọa độ nhƣ nội suy đƣợc thực lƣu nhớ máy tính, sau truyền xuống qua cổng giao tiếp nối tiếp USB, qua card giao tiếp Interface đƣa tới vi điều khiển Vi điều khiển nhận lệnh thực gửi tín hiệu tới mạch giao tiếp cách ly Mạch cách ly kích hoạt mạch công suất để điều khiển động DC có hệ số truyền chuyển động tới vị trí cần phân phối Điểm chuyển động đƣợc giám sát thông qua xung gửi từ cảm biến đo để hiệu chỉnh sai số Cứ nhƣ hết vị trí đến vị trí khác, mà máy tính gửi lệnh dừng động ngừng hoạt động Điều nghĩa điểm truy xuất từ máy tính gửi xuống để phân phối vật liệu hết gặp lệnh dừng Khi hệ thống tự động thiết lập lại, trở vị trí gốc Sau lần thực thi điều khiển lại gửi lệnh máy tính để thông báo thực xong công việc chờ lần lệnh Bảng 6.1 Chức khối cho sơ đồ khối điều khiển TT Khối Chức khối Nguồn Cung cấp nguồn +5VDC cho mạch vi điều khiển giao tiếp cách ly, +24VDC cho mạch công suất động Nút nhấn - Thực lệnh khởi động, tắt, tạm dừng cho hệ thống Cảm biến - Cảm biến tiệm cận có tác dụng xác định vị trí gốc Cảm biến Encoder gắn trục vít me đo trƣợc tiếp tín hiệu phản hồi đầu Máy tính Nhận lệnh điều khiển từ vi xử lý thông qua mạch truyền thông interface, đồng thời tính toán nội suy xử lý thuật toán đƣa lệnh điều khiển, qua truyền thông tới vi xử lý thực bƣớc Vi xử lý Chíp xử lý trung tâm xử lý liệu truyền thông, điều khiển mạch công suất, hiển thị Giao tiếp Truyền thông qua cổng USB máy tính chip điều khiển 120 Mạch công suất Khuyếch đại dòng điều khiển đông trục điều khiển cuộn hút phân phối vật liệu Hiển thị Hiển thị trạng thái hoạt động 2.2.2 Khối nguồn Khối nguồn có vai trò quan trọng việc cấp nguồn hoạt động ổn định mạch động Hệ thống phân phối vật liệu hoạt động đòi hỏi dòng nuôi có giá trị cao ổn định Do đó, nguồn cấp cần đảm bảo đủ công suất để chịu tải thời điểm khởi động động suốt trình động hoạt động, đồng thời phải thỏa mãn yêu cầu hoạt động ổn định, không nguồn gây nhiễu cho mạch chức hệ thống, chống việc khởi động lại chíp điều khiển trình hệ thống phân phối vật liệu hoạt động Hình 6.6 Sơ đồ khối nguồn  Khối nguồn: Gồm biến áp hạ áp từ 220VAC xuống 28VAC  Khối chỉnh lƣu: Gồm diode mắc hình cầu chỉnh lƣu nguồn AC thành nguồn chiều DC  Khối bảo vệ: Gồm cầu chì bảo vệ dòng  Khối lọc: Gồm tụ lọc nguồn san phẳng điện áp, tụ lọc nhiễu cao tần  Khối nguồn ổn áp 5VDC: Sử dụng IC 7805  Khối nguồn ổn áp 24VDC: Sử dụng IC 7824 transistor nâng dòng 2.2.3 Khối vi xử lý MCU Khối vi điểu khiển giao tiếp công suất: Sử dụng vi điều khiển DSPIC30F3010-20E/SO Đƣợc sử dụng xử lý câu lệnh toán học truyền nhận giao tiếp với cad giao tiếp interface Đƣa tín hiệu lệnh điều khiển tới mạch công suất, nhận tín hiệu điều khiển giao tiếp đầu vào cảm biến 121 Hình 6.7 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển DSPIC30F3010-20E/SO 122 Hình 6.8 Sơ đồ board mạch vi điều khiển DSPIC30F3010-20E/SO 123 Khối vi điều khiển giao tiếp interface: Là chíp vi điều khiển, đƣợc thiết lập hệ nhúng có chức điều hành toàn hoạt động hệ thống Để đáp ứng yêu cầu thiết kế toán, qua tính toán khảo sát thực nghiệm nhiều hệ vi xử lý khác nhau, kết tốt phù hợp với yêu cầu đề sử dụng mạch tích hợp hệ thống nhúng chíp STM32Fx tham khảo trang Website http://www.st.com/content/st_com Hình 6.9 Sơ đồ khối điều khiển chíp STM32Fx Trong khối giao tiếp Interface có mạch hỗ trợ nhƣ: mạch khởi động nóng (reset), mạch dao động thạch anh, mạch nạp chƣơng trình, mạch nhận tín hiệu đầu vào nhƣ tín hiệu nút bấm, mạch xử lý giao tiếp, mạch kết nối giao tiếp USB, Khối giao tiếp với máy tính thông qua USB 124 Hình 6.10 Sơ đồ nguyên lý chíp ST-LINK/V2 (SWD only) 125 Hình 6.11 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm STM32Fx (MCU) 126 Hình 6.12 Sơ đồ nguyên lý khối Audio 127 Hình 6.13 Sơ đồ nguyên lý khối USB-OTG-FS 128 Hình 6.14 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp ngoại vi 129 Hình 6.15 Sơ đồ bố trí lắp đặt MCU STM32F303 130 Hình 6.16 Mạch thực tế phần cứng MCU STM32F303 131 2.2.4 Khối công suất a Sơ đồ nguyên lý Hình 6.17 Sơ đồ nguyên lý khối công suất cho động b Nguyên lý hoạt động + OPTO 6N137 mạch cách ly nguồn điều khiển nguồn công suất, tránh tình trạng nhiễu gây tác động lên vi xử lý 2.2.5 Khối cảm biến tiệm cận vị trí Sử dụng cảm biến từ tiệm cận điện dung, cho vị trí để phát gốc ban đầu Khi hệ chuyển động khỏi vị trí cảm biến tín hiệu cảm biến không tác động „0‟, hệ chuyển động vào vùng tác động cảm biến đầu „1‟ Khoảng tác động cách xa tối đa 3mm 132 BN +Vcc Z NPN BK Out BU 0V Hình 6.18 Hình ảnh thực tế cảm biến từ tiệm cận 2.2.6 Khối cảm biến phản hồi vị trí Encoder Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc đĩa quay, đĩa quay bánh xe, trục động cơ, thiết bị quay cần xác định vị trí góc Encoder đƣợc chia làm loại: encoder tuyệt đối (absolute encoder) encoder tƣơng đối (incremental encoder) Encoder tuyệt đối, tức tín hiệu ta nhận đƣợc rõ ràng vị trí encoder, không cần xử lý thêm biết xác vị trí encoder Encoder có 1, 2, tối đa vòng lỗ Nếu đục lỗ đĩa quay, lần đĩa quay vòng, ta nhận đƣợc tín hiệu ta biết đĩa quay vòng Nếu có nhiều lỗ hơn, ta có đƣợc thông tin chi tiết hơn, có nghĩa đĩa quay 1/4 vòng, 1/8 vòng, 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm incremental encoder Nguyên lý encoder, đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có lỗ (rãnh) Ngƣời ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua đƣợc, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên đĩa, ngƣời ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, ánh sáng chiếu qua, ngƣời ta ghi nhận đƣợc đèn led có chiếu qua lỗ hay không Khi trục quay, giả sử đĩa có lỗ nhất, lần mắt thu nhận đƣợc tín hiệu đèn led, có nghĩa đĩa quay đƣợc vòng Trong thực tế mô hình sử dụng cảm biến Encoder tuyệt đối (absolute encode) gắn trực tiếp đầu trục vít me bi, mục tiêu phản hồi đo xác vị trí hoạt động hệ thống thông qua số xung từ đĩa encoder qua dịch chuyển vít me, tín hiệu đƣợc phản hồi mạch nhân xung lên lần, đƣa tới xử lý trung tâm tính toán để đƣa tín hiệu xử lý điều chỉnh phản hồi độ xác vị trí hệ thống phân phối vật liệu nano Từ lựa chọn loại Encoder Sharp với thông số ký thuật là: - Đƣờng kính thân: 40mm - Kiểu trục: mm 133 - Số xung: 2048 - Ngõ ra: A, B, Z line driver - Nguồn cấp: 5VDC - Nhiệt độ hoạt động: -10 đến 70 độ C - Cấp bảo vệ: IP50 - Cáp kèm theo: 2m Hình 6.19 Hình ảnh thực tế cảm biến Encoder 134 ... giải toán cho hệ thống phân phối vật liệu nano Chƣơng 2: Xây dựng mô hình đối tƣợng Nội dung chƣơng trình bày cấu trúc tổng quan hệ thống điều khiển phân phối vật liệu Từ xây dựng mô hình đối... cứng hệ thống phân phối vật liệu nano Trong ngành khoa học vật liệu công nghệ nano, hệ thống thao tác phân phối vật liệu đƣợc sử dụng việc tổng hợp vật liệu, chế tạo linh kiện thang nano Hệ thống. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN DÂN MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 62520216 LUẬN ÁN