Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng ( Luận án tiến sĩ)

Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng ( Luận án tiến sĩ)Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng ( Luận án tiến sĩ)Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng ( Luận án tiến sĩ)Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng ( Luận án tiến sĩ)Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng ( Luận án tiến sĩ)Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng ( Luận án tiến sĩ)Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng ( Luận án tiến sĩ)

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

–––––––––––––––––––

NGUYỄN THÀNH CÔNG

NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THÁI NGUYÊN – 2014

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trang 3

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thành Công

Sinh ngày 09 tháng 6 năm 1975

Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa 02 – Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp- Đại Học Thái Nguyên

Hiện tôi đang công tác tại Trường Cao Đẳng Nghề Cơ Điện Phú Thọ

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng

Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Công

Trang 4

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học kỹ thuật công

nghiệp Thái Nguyên Tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Nhận

dạng và điều khiển thích nghi hệ thống quạt gió cánh phẳng”

Trong thời gian làm luận văn do kiến thức của tôi còn rất nhiều hạn chế, thực

tế là chưa đủ để thực hiện đề tài này Nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn, các thầy giáo trong Bộ môn Đo lường - Điều khiển tự động của trường Đại học kỹ thuật công nghệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự chỉ bảo ân cần của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí nên tôi đã hoàn thành được nội dung nghiên cứu Mặc dù

đã cố gắng nhưng do thời gian hạn chế và kiến thức của tôi còn thiếu nên bản luận văn này chắc chắn còn có nhiều thiếu sót mong sẽ được các thày chỉ dẫn thêm

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí và các thầy cô giáo trong bộ môn Đo lường - Điều khiển tự động

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Công

Trang 5

iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các chữ viết tắt v

Danh mục các hình vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cần thiết của đề tài 1

2 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 1

3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn 2

4 Phương pháp và phương pháp luận 2

5 Đóng góp của luận văn 3

6 Bố cục của luận văn 3

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Mô tả hệ thống 4

1.3 Nguyên lý hoạt động 8

1.4 Cơ sở xây dựng và nhận dạng mô hình động lực học QGCP 8

1.5 Kết luận chương I 10

Chương 2: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 12

2.1 Cơ sở lý thuyết về nhận dạng hệ thống điều khiển 12

2.1.1 Định nghĩa nhận dạng 12

2.1.2 Phân loại phương pháp nhận dạng 12

2.1.3 Các phương pháp nhận dạng 13

2.1.4 Nhận dạng mô hình có tham số - Phương pháp bình phương tối thiểu - Mô hình ARX 13

2.1.5 Các bước tiến hành bài toán nhận dạng 16

2.2 Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng 17

2.2.1 Thu thập dữ liệu vào/ra hệ thống QGCP 17

Trang 6

iv

2.2.2 Tiền sử lý dữ liệu 19

2.2.3 Nhận dạng hệ thống bằng phần mềm chuyên dụng Identification Toolbox trong Matlab 19

2.2.4 Kết quả nhận dạng hệ thống QGCP 29

2.3 Kết luận chương 2 30

Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 31

3.1 Thiết kế bộ điều khiển PID 31

3.2 Tiến hành chạy thực trên hệ thống quạt gió cánh phẳng 32

3.2.1 Chạy thực hệ thống QGCP khi chưa có tác động của nhiễu 32

3.2.2 So sánh hệ thống QGCP thực và lý tưởng 35

3.2.3 Chạy thực hệ thống QGCP khi có tác động của nhiễu 38

Chương 4: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU 42 4.1 Cơ sở lý thuyết về hệ điều khiển thích nghi 42

4.1.1 Khái niệm hệ điều khiển thích nghi 42

4.1.2 Hệ thích nghi theo mô hình mẫu – MRAS 42

4.2 Thiết kế hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu cho hệ thống quạt gió - cánh phẳng 44

4.3 Chạy thực hệ điều khiển thích nghi trên hệ thống quạt gió – cánh phẳng 54

4.3.1 Hệ thống khi chưa có tác động nhiễu 54

4.3.2 Hệ thống khi có tác động của nhiễu 58

4.3.3 So sánh đáp ứng đầu ra hệ thống khi có tác động nhiễu giữa bộ điều

khiển PI và điều khiển thích nghi 60

KẾT LUẬN CHUNG 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Trang 7

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

QGCP Fan and Plate Quạt gió cánh phẳng

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

AR Auto Regression Quá trình tự hồi quy

PI Proportional Integral Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

MRAS Model Reference Adaptive

Systems

Hệ thích nghi mô hình tham chiếu

Trang 8

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thống quạt gió cánh phẳng tại phòng thí nghiệm bộ môn Đo lường

Điều khiển – Khoa Điện tử 4

Hình 1.2: Động cơ quạt gió cánh phẳng 5

Hình 1.3: Cánh phẳng 5

Hình 1.4: Sensor đo góc 5

Hình 1.5: Mạch điều khiển 6

Hình 1.6: Bộ nguồn một chiều 7

Hình 1.7: Cáp kết nối máy tính 7

Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển 7

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống QGCP 8

Hình 1.10: Biểu diễn quá trình động lực học của QGCP 9

Hình 1.11: Sơ đồ khối của mô hình 9

Hình 2.1: Khối tạo tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên trên Simulink 17

Hình 2.2: Nhận dạng hệ thống QGCP trên phần mềm Matlab – Simulink 18

Hình 2.3: Tín hiệu vào hệ thống 18

Hình 2.4:Tín hiệu ra hệ thống 18

Hình 2.5:Tín hiệu vào sau tiền xử lý 19

Hình 2.6: Tín hiệu ra sau tiền xử lý 19

Hình 2.7: Cửa sổ làm việc của công cụ nhận dạng 20

Hình 2.8: Nhập đối tượng vào công cụ nhận dạng 20

Hình 2.9: Tiền xử lý dữ liệu loại bỏ giá trị trung bình 21

Hình 2.10: Hình vẽ bộ dữ liệu gốc và mới 21

Hình 2.11: Di chuyển mô hình identdata.d vào Working Data 22

Hình 2.12: Bộ dữ liệu identdata de và identdata dv 22

Hình 2.13: Hình vẽ bộ dữ liệu identdata de và identdata dv 23

Hình 2.14:Di chuyển identdata de và identdata dv vào các vùng làm việc 23

Hình 2.15: Ước lượng mô hình 24

Trang 9

vii

Hình 2.16: Chọn các thông số mô hình 24

Hình 2.17: Độ phù hợp của mô hình 25

Hình 2.18: Mô hình toán học của ARX221 25

Hình 2.19: Đặc tính vào/ra trước và sau khi loại bỏ giá trị trung bình 28

Hình 2.20:Độ phù hợp của các mô hình ARX221,ARX551,ARX10101 28

Hình 3.1: Hệ thống quạt gió cánh phẳng với bộ điều khiển PID 32

Hình 3.2:Góc thực của hệ thống khi góc đặt 5° 33

Hình 3.3: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 10° 33

Hình 3.6: So sánh đối tượng QGCP thực và lý tưởng 35

Hình 3.7: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 35

Hình 3.11: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 5° 38

Hình 4.1: Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu 42

Hình 4.2: Mô hình sai số 43

Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu 45

Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng điều khiển thích nghi cho hệ thống quạt gió - cánh phẳng 49

Hình 4.5: Khối mô hình mẫu 50

Hình 4.6: Khối cơ cấu chỉnh định thích nghi 50

Hình 4.7: Khối bộ điều khiển 50

Hình 4.8: Khối đối tượng quạt gió - cánh phẳng 51

Hình 4.9: Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 5° 51

Hình 4.10:Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 10° 52

Trang 10

viii

Hình 4.13: Sơ đồ chạy thực điều khiển thích nghi cho hệ thống 54

Hình 4.14: Sai số e khi góc đặt 5° 54

Hình 4.15: Góc cánh phẳng và góc đặt 5° 55

Hình 4.16: Tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 5° 55

Hình 4.17 :Sai số e khi góc đặt 10° 56

Hình 4.20:Sai số e khi góc đặt 15° 57

Hình 4.23:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm 59

Hình 4.26: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động nhiễu góc đặt 61

Hình 4.27 : So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động nhiễu góc đặt 10° 62

Hình 4.28: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động nhiễu góc đặt 15° 63

Trang 11

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của đề tài

Ngày nay do yêu cầu của thực tế sản suất có công nghệ hiện đại trên tất cả các lĩnh vực đòi hỏi phải có hệ điều khiển có thể thay đổi được cấu trúc và tham số của

nó để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng đã định Dựa trên cơ sở của nền kỹ thuật điện, điện tử, tin học và máy tính đã được phát triển ở mức độ cao, lý thuyết điều khiển thích nghi ra đời đáp ứng được yêu cầu trên Nội dung của điều khiển thích nghi là: tạo ra được hệ điều khiển mà cấu trúc và tham số của nó có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số đối tượng điều khiển sao cho chất lượng của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã định Do tính ưu việt của điều khiển thích nghi mà hiện nay các

bộ điều khiển đang bắt đầu được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp, các hệ phi tuyến trong thực tế

Mô hình hệ thống QGCP là một mô hình cho phép cài đặt các thuật bù điều khiển góc, với tính chất chịu ảnh rất nhiều của nhiễu và sự thay đổi tham số do đó

hệ thống QGCP là hệ thống khó điều khiển để đạt được chất lượng tốt

Xuất phát từ những lý do trên và quan điểm của bản thân tác giả luận văn

mạnh dạn đi sâu nghiên cứu đề tài Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống quạt gió cánh phẳng để từ đó thiết kế bộ điều khiển thích nghi tự động điều khiển

góc với chất lượng tốt hơn, qua đó mở ra hướng ứng dụng trong các hệ thống thông gió, góc mở của van được điều khiển bằng khí nén trong các nhà máy xí nghiệp Sau khi hoàn thành luân văn sẽ góp phần là rõ lý thuyết cũng như cho một số hướng điều chỉnh thực tế cho bộ điều khiển thích nghi ổn định góc

2 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

Vấn đề nghiên cứu bộ điều khiển thích nghi ổn định góc là một vấn đề không mới nhưng có thể nói là khó vì trong các công trình trước đây [5],[6] người ta thường bỏ qua những thành phần khó xác định tham số, đơn giản hóa mô hình và cuối cùng nhận được mô hình tuyến tính bậc 1 hoặc bậc 2 Sau đó người ta thiết kế

bộ điều khiển PID cho mô hình này, các tham số của bộ điều khiển PID thường được xác định bởi phương pháp quỹ đạo nghiệm số hoặc thông qua thử nghiệm thực tế,

Trang 12

2

kết quả là chất lượng điều khiển thường không được cao Một số công trình khác [1],[7] người ta sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi, trong đó các tham số bộ điều khiển PID được chỉnh bằng một cơ cấu hiệu chỉnh, cơ cấu hiệu chỉnh này có nhiệm

vụ xác định các tham số PID dựa trên sai lệch giữa góc thực của hệ thống quạt gió cánh phẳng và đầu ra của một mô hình mẫu Phương pháp này nhận được chất lượng điều khiển tốt hơn so với phương pháp điều khiển PID thuần túy, tuy nhiên vì mô hình của đối tượng bỏ qua một số thành phần và không xét đến nhiễu cho nên chất

lượng điều khiển nhiều khi không được như mong đợi, đặc biệt khả năng đáp ứng với

nhiễu Mặt khác vấn đề lựa chọn mô hình mẫu hợp lý cũng là một bài toán có khá nhiều vấn đề đang được giải quyết

3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống quạt gió cánh phẳng nhằm duy trì ổn định góc của cánh phẳng với chất lượng cải thiện hơn so với các phương pháp đã có[1],[5],[6],[7]

Chính vì vậy, luận văn tập trung vào các mục tiêu cụ thể như sau:

Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng thông qua nhận dạng thực nghiệm theo phương pháp hồi quy trung bình trượt nhằm xác định mô hình hệ thống

và mô hình nhiễu tác động

Xác định mô hình mẫu

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi và cơ cấu hiệu chỉnh thích nghi theo luật MIT Cài đặt bộ điều khiển và cơ cấu chỉnh định trong Matlab simulink và điều khiển thực

So sánh kết quả của phương pháp điều khiển áp dụng với phương pháp đã có Đánh giá và nhận xét

4 Phương pháp và phương pháp luận

- Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về nhận dạng thực nghiệm, tiến hành nhận dạng thực

tế hệ thống quạt gió cánh phẳng

Trang 13

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	548,04 KB
File đính kèm	Luận án Full.rar (2 MB)