Thiết kế bộ điều khiển thích nghi thuật toán điều chỉnh hàm số cho đối tượng bồn nước đôi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo LÊ THÁI DŨNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THUẬT TOÁN ĐIỀU CHỈNH HÀM SỐ CHO ĐỐI TƯỢNG BỒN NƯỚC ĐÔI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HCM 12 - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo LÊ THÁI DŨNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THUẬT TOÁN ĐIỀU CHỈNH HÀM SỐ CHO ĐỐI TƯỢNG BỒN NƯỚC ĐÔI CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ CÔNG PHƯƠNG TP HCM 12 - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: LÊ THÁI DŨNG Sinh ngày 25 tháng 10 năm 1981 Học viên lớp cao học TĐH11 Khoá 2011-2013 – Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Tôi xin cam đoan đề tài “Thiết kế điều khiển thích nghi thuật toán điều chỉnh hàm số cho đối tượng bồn nước đôi” TS Võ Công Phương hướng dẫn, công trình nghiên cứu riêng Các số liệu để xây dựng mô hình điều khiển kết thu luận văn hoàn toàn trung thực Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy hướng dẫn Nếu sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm TP.HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2013 Người viết cam đoan Lê Thái Dũng MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt, ký hiệu Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Công việc cần thực 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Tóm lược nội dung luận văn CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG HỆ BỒN NƯỚC 2.1 Mô hình hệ bồn nước đơn 2.2 Mô hình hệ bồn nước đôi nối tiếp 2.3 Tuyến tính hóa hệ bồn nước đôi nối tiếp điểm làm việc 10 2.3.1 Tuyến tính hóa mô hình trạng thái 10 2.3.2 Tuyến tính hóa hệ bồn nước đôi nối tiếp 13 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 3.1 Lý thuyết điều khiển phản hồi biến trạng thái dùng phương pháp gán cực17 3.1.1 Thiết kế hệ thống điều khiển phương pháp gán cực 18 3.1.2 Điều kiện cần đủ để đặt cực tùy ý 20 3.1.3 Các bước thiết kế đặt cực 24 3.2 Lý thuyết điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với phiếm hàm dạng toàn phương (Linear Quadratic Regulator – LQR) 27 3.2.1 Ổn định Lyapunov hệ thống tuyến tính 27 3.2.2 Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với tiêu chất lượng dạng toàn phương – Phương trình Ricati hệ liên tục 29 3.2.3 Các bước giải toán toàn phương tuyến tính 32 3.3 Lý thuyết điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss sử dụng hàm Lyapunov 33 3.3.1 Đối tượng phi tuyến khái niệm điều khiển thích nghi 33 3.3.2 Hệ thống thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu – MRAS 35 3.3.3 Hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp thuật toán hàm Gauss sử dụng hàm Lyapunov 37 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI NỐI TIẾP 53 4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi biến trạng thái dùng phương pháp gán cực cho đối tượng hệ bồn nước đôi nối tiếp 53 4.2 Thiết kế điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính LQR cho đối tượng bồn nước đôi 58 4.3 Thiết kế điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss cho đối tượng hệ bồn nước đôi nối tiếp 67 4.3.1 Mô hình chuẩn 67 4.3.2 Thiết kế điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss 71 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỰC HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI NỐI TIẾP 82 5.1 Giới thiệu mô hình 82 5.2 Mô tả cấu trúc phần cứng 83 5.2.1 Cảm biến áp suất 83 5.2.2 Bơm nước DC 85 5.2.3 Bo công suất 87 5.2.4 PLC S7-200 Module analog EM235 87 5.3 Điều khiển mô hình thực so sánh kết điều khiển 88 5.3.1 Điều khiển mô hình thực với thuật toán phản hồi biến trạng thái phương pháp gán cực 90 5.3.2 Điều khiển mô hình thực với điều khiển LQR 92 5.3.3 Điều khiển mô hình thực với điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss 95 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 98 6.1 Kết đạt 98 6.2 Hạn chế đề tài 98 6.3 Hướng phát triển đề tài 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU x   x1 xn  Vector trạng thái hệ thống u(t) Tín hiệu điều khiển K Ma trận phản hồi trạng thái M Ma trận điều khiển V(x) Hàm Lyapunov xác định dương J Chỉ tiêu chất lượng Q Ma trận vuông xác định dương LQR Linear Quadratic Regulator_Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính STR Self Tuning Regulator_Bộ tự chỉnh định MRAS Model Reference Adaptive systems_Hệ thích nghi mô hình tham chiếu e(t) Sai số ngõ tín hiệu đặt xm (t ) Vector trạng thái mô hình chuẩn ua(t) Tín hiệu điều khiển thích nghi Фi ( x ) Hàm Gauss x ci Trọng tâm i Độ rộng u0(t) Tín hiệu đặt trước δ( x ) Hàm nhiễu Γ A , Γ B , Γδ Các hệ số khuếch đại dương hiệu chỉnh T A , B , δ Các hệ số hiệu chỉnh vô hướng qin Lưu lượng nước chảy vào bồn qout Lưu lượng nước chảy khỏi bồn Kp1, Kp2 Hệ số tỉ lệ với công suất máy bơm máy bơm h1(t), h2(t) Chiều cao mực nước bồn bồn A1, A2 Diện tích mặt cắt ngang bồn bồn Cd1, Cd2 Hệ số van xả bồn bồn a1, a2 Tiết diện van xả bồn bồn g Gia tốc trọng trường xv Điểm làm việc xe Điểm cân xd Điểm dừng f (x), g (x) Hàm phi tuyến mô tả đặc tính động học hệ thống DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật hệ bồn nước đôi nối tiếp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Mô hình hệ bồn nước đơn Hình 2.2: Mô hình hệ bồn nước đôi nối tiếp Hình 3.1 (a) Hệ thống điều khiển vòng hở 19 Hình 3.1 (b) Hệ thống điều khiển vòng kín 19 Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi 35 Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống thích nghi MRAS 36 Hình 3.4 (a) Trạng thái cân ổn định 37 Hình 3.4 (b) Trạng thái cân tiệm cận 37 Hình 3.4 (c) Trạng thái cân không ổn định 37 Hình 3.5 Sơ đồ khối đối tượng bậc 47 Hình 3.6 Sơ đồ khối mô hình tham chiếu cho đối tượng bậc 47 Hình 3.7 Sơ đồ mô hệ thống thích nghi hàm Gauss 48 Hình 3.8 Sơ đồ cấu hiệu chỉnh thích nghi hàm Gauss 48 Hình 3.9 Sơ đồ luật điều khiển thích nghi hàm Gauss 49 Hình 3.10 Đồ thị đáp ứng ngõ hệ thống thích nghi hàm Gauss 49 Hình 3.11 Sơ đồ mô hệ thống thích nghi thuật toán hàm Gauss 50 Hình 3.12 Sơ đồ luật điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss 51 Hình 3.13 Sơ đồ cấu hiệu chỉnh thích nghi thuật toán hàm Gauss 51 Hình 3.14 Đồ thị đáp ứng ngõ hệ thống thích nghi thuật toán hàm Gauss 52 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ bồn nước đôi nối tiếp với điều khiển gán cực 56 86 5.2.3 Bo công suất Bo công suất điều khiển tốc độ hai bơm nước DC tín hiệu analog Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý bo công suất Hình 5.8: Bo công suất điều khiển hai bơm nước 87 – Ngõ vào analog điều khiển bơm nước 2 – Ngõ vào analog điều khiển bơm nước – Cấp nguồn 5VDC cho bo công suất – Cấp nguồn cho động – Cấp nguồn 24VDC – Cấp nguồn cho động 5.2.4 PLC S7-200 Module analog EM235 Matlab giao tiếp với PLC S7-200 để đọc ghi liệu Mô hình sử dụng hai module analog EM235, module có ngõ vào analog ngõ analog Sử dụng ngõ vào analog để nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất ngõ analog điều khiển bo công suất để điều khiển hai bơm nước Hình 5.9: Module analog EM235 88 Thông số kỹ thuật module analog EM235: - Hãng sản xuất: Siemens - Số ngõ vào analog: - Tín hiệu ngõ vào: + Điện áp: – 10V/ – 5V + Dòng điện: – 20mA - Số ngõ analog: - Tín hiệu ngõ ra: - + Điện áp : – 10V + Dòng điện: – 20mA Nguồn nuôi: 24VDC Hình 5.10: PLC S7-200 CPU226 5.3 Điều khiển mô hình thực so sánh kết điều khiển Điều khiển mô hình thực Simulink Matlab giao tiếp với PLC Trong Matlab simulink hỗ trợ công cụ OPC Toolbox cho phép Matlab giao tiếp với PLC thông qua phần mềm OPC KEPServerEx V4.0 89 Thuật toán điều khiển xây dựng Simulink Matlab Tín hiệu phản hồi đưa vào ngõ vào analog module EM235, sử dụng lệnh OPC Read Simulink Matlab để đọc tín hiệu phản hồi từ PLC Sau Matlab thực phép tính thuật toán lập trình, đưa tín hiệu điều khiển, sử dụng lệnh OPC Write để truyền liệu điều khiển xuống PLC, tín hiệu điều khiển xuất ngõ anolog module EM235 để điều khiển bo công suất, điều khiển tốc độ bơm nước Hình 5.11: Công cụ OPC Toolbox Matlab simulink Trong OPC Toolbox Matlab simulink sử dụng lệnh: OPC Configuration, OPC Read OPC Write 90 Lệnh OPC Configuration: Lệnh OPC Configuration sử dụng để cấu hình cho phép Matlab giao tiếp với OPC Lệnh OPC Read: Lệnh OPC Read sử dụng để đọc liệu từ PLC lên Malab thông qua phần mềm OPC Lệnh OPC Write: Lệnh OPC Write sử dụng để ghi liệu từ Malab xuống PLC thông qua phần mềm OPC 5.3.1 Điều khiển mô hình thực với thuật toán phản hồi biến trạng thái phương pháp gán cực Luật điều khiển: u(t )  Kx(t ) Trong K ma trận phản hồi trạng thái 91 Hình 5.12: Chương trình điều khiển với điều khiển gán cực Matlab simulink Hình 5.13: Bộ điều khiển gán cực 92 Hình 5.14: Kết điều khiển mô hình thực Qua kết ta thấy, với điều khiển gán cực cho đáp ứng mong muốn Tuy nhiên trình độ tín hiệu bị dao động có độ vọt lố, điều làm tăng thời gian đáp ứng 5.3.2 Điều khiển mô hình thực với điều khiển LQR u  t   Kx  t   R 1BT Sx  t  Luật điều khiển tối ưu: Trong K ma trận tối ưu thỏa mãn tiêu chất lượng:  J    xT Qx  uT Ru  dt 20 93  Chọn: J   q11 x12 (t )  q22 x22 (t )  r11u12 (t )  r22u22 (t )  dt  20 Trong Q ma trận xác định dương (hoặc bán xác định dương) 0 q Q   11   q22  Và R ma trận xác định dương 0 r R   11   r22  S(t) nghiệm phương trình vi phân Riccati: AT S  SA  SBR 1BT S  Q  Trong phần mềm Matlab – Simulink sử dụng lệnh sau để tính ma trận K: K = lqr(A,B,Q,R) Hình 5.15: Chương trình điều khiển với điều khiển LQR Matlab simulink 94 Hình 5.16: Bộ điều khiển LQR Hình 5.17: Kết điều khiển mô hình thực Qua kết ta thấy, với điều khiển LQR cho đáp ứng mong muốn Tuy nhiên trình độ tín hiệu bị dao động có độ vọt lố, điều làm tăng thời gian đáp ứng 95 5.3.3 Điều khiển mô hình thực với điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss ˆ (t )Φ(x) Luât điều khiển thích nghi: ua (t )  K A (t )x(t )  K B (t )u0 (t )  K δ K A (t )  (Γ A PB me(t )xT (t )  A K A )  T K B (t )  (ΓB (PB me(t )u (t )  BK B )  ˆ (t)  Γ PB e(t )ΦT (x)   K K δ δ m δ δ Luật chỉnh định: Trong đó: Γ A , ΓB , Γδ – hệ số khuếch đại dương hiệu chỉnh A , B , δ – hệ số hiệu chỉnh vô hướng P  PT  – ma trận đối xứng xác định dương thỏa mãn phương trình Lyapunov sau đây: ATm P  PAm  G Mô hình chuẩn: ( G  G  ) xm (t )  Am xm (t )  Bmu0 (t ) Hình 5.18: Chương trình điều khiển với điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss Matlab simulink 96 Hình 5.19: Bộ điều khiển thích nghi Hình 5.20: Mô hình chuẩn Hình 5.21: Cơ cấu hiệu chỉnh 97 Hình 5.22: Kết điều khiển mô hình thực Qua kết ta thấy, với điều khiển thích nghi thuật toán hàm gauss cho đáp ứng mong muốn Tín hiệu bám sát theo tín hiệu mô hình chuẩn Trong trình độ tín hiệu độ vọt lố dao động 98 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết đạt Các vấn đề đạt phạm vi luận văn bao gồm:  Thiết kế điều khiển phản hồi biến trạng thái dùng phương pháp gán cực cho đối tượng hệ bồn nước đôi nối tiếp  Thiết kế điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính LQR cho đối tượng hệ bồn nước đôi nối tiếp  Thiết kế điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss cho đối tượng hệ bồn nước đôi nối tiếp  Xây dựng sơ đồ mô Simulink Matlab hệ thống điều khiển đối tượng hệ bồn nước đôi nối tiếp với điều khiển: điều khiển gán cực, điều khiển LQR, điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss So sánh kết điều khiển  Thiết kế thi công mô hình bồn nước đôi nối tiếp bao gồm: Phần khí, mạch điều khiển, chương trình điều khiển Matlab  Xây dựng điều khiển: điều khiển gán cực, điều khiển LQR, điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss phần mềm Matlab điều khiển mô hình thực So sánh kết điều khiển 6.2 Hạn chế đề tài Với điều khiển thích nghi thuật toán hàm Gauss, luật điều khiển với nhiều phép tính ma trận, tương đối phức tạp, có nhiều thông số ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển Việc lựa chọn thông số cho điều khiển thích 99 nghi hầu hết tiến hành theo phương pháp thử sai, thông số chọn lựa tối ưu 6.3 Hướng phát triển đề tài Xây dựng điều khiển thích nghi có áp dụng mạng Neuron, đồng thời phát triển giải thuật tìm kiếm thông số tối ưu cho điều khiển để điều khiển đạt chất lượng tốt 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thị Phương Hà (2007), Lý thuyết điều khiển đại, Nhà xuất đại học quốc gia TPHCM Huỳnh Thái Hoàng (2006), Hệ thống điều khiển thông minh, Nhà xuất Đại học Quốc Gia TPHCM Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2006), Lý thuyết điều khiển phi tuyến Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Đức Thành (2004), Matlab ứng dụng điều khiển, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TPHCM Tiếng Anh Dr Naira Hovakimyan, Module on Adaptive Control GANG FENG and ROGELIO LOZANO (1999), Adaptive Control Systems Quanser Innovate Educate, Coupled – Tank User Manual Quanser Innovate Educate, Coupled – Tank Control Laboratory – Student Handout 10 Quanser Innovate Educate, Coupled – Tank Control Laboratory – Instructor Manual 11 University of Southern California (2003), Robust Adaptive Control ... cực cho đối tượng hệ bồn nước đôi nối tiếp 53 4.2 Thiết kế điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính LQR cho đối tượng bồn nước đôi 58 4.3 Thiết kế điều khiển thích nghi thuật toán. .. thích nghi dựa thuyết ổn định Lyapunov Chương 4: Thiết kế mô thuật toán điều khiển điều khiển gán cực, điều khiển LQR điều khiển thích nghi áp thuật toán hàm Gauss để điều khiển đối tượng bồn nước. .. ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Tôi xin cam đoan đề tài Thiết kế điều khiển thích nghi thuật toán điều chỉnh hàm số cho đối tượng bồn nước đôi TS Võ Công Phương hướng dẫn, công trình nghi n