TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNGĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Giáo viên hướng dẫn: GS.TS NGUYỄN THẾ HÙNG Lớp Cao học
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT
NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
Giáo viên hướng dẫn: GS.TS NGUYỄN THẾ HÙNG
Lớp Cao học : TỰ ĐỘNG HÓA – K25
Đà Nẵng, 10/2012
Trang 2PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài :
Ngày nay cùng v ới sự phát triển của công nghệ vật liệu thì các lý thuyết mới về điều khiển hệ thống cũng đã xâm nhập nhanh chóng vào thực tế và mang lại tính hiệu quả cao khi dùng các
lý thuyết điều khiển mới này Một trong những lý thuyết mà các nhà khoa học trên thế giới đang quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế đó là lý thuyết điều khiển mờ và mạng nơron Đây là vấn đề khoa học đã có từ vài thập niên, nhưng việc ứng dụng nó vào sản xuất, cũng như sự kết hợp chúng để tạo ra một luật mới có đủ những ưu điểm của các lý thuyết thành phần vẫn đang là lĩnh vực khoa học cần quan tâm và nghiên cứu Bên cạnh đó, các thiết
bị truyền động có khe hở được sử dụng trong thực tế như các truyền động bánh răng; truy ền động đai nhóm khâu khu ếch đại có trễ Do có độ dơ trễ giữa các chuyển tuyến rất mạnh Trước đây, khi thi ết kế các hệ điều khiển này, không có độ dơ, trễ giữa các chuyển động Do
có khe hở nên dễ làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của hệ thống Để giảm ảnh đến chất lượng hệ thống truyền động, người ta đã dùng nhiều biện pháp như: Tìm cách giảm nhỏ khe
hở (cơ khí); dùng hệ điều khiển thích nghi mờ… (điện) Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các hệ điều động là yêu cầu quan trọng để thiết lập các hệ điều khiển chính xác, năng suất lao động và chất lượng sản phẩm Đề tài góp phần nâng cho các hệ điều khiển truyền động đang được ứng dụng trong như điều khiển tay máy, các trục truyền động của máy CNC…
1.2 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài:
Đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về lý thuyết và thực tế:
- Về mặt lý thuyết: Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để điều khiển hệ truyền động có khe hở, là một trong những hệ có tính phi tuyến lớn Kết quả không chỉ áp dụng cho hệ truyền động có khe hở mà còn có thể áp dụng cho những hệ phi tuyến khác
- Về thực tế: Hệ truyền động có khe hở gặp nhiều trong thực tế, việc áp dụng lý thuy ết điều khiển hiện đại cho hệ này sẽ góp phần nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống, nâng cao năng suất lao động, nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường
1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
Việc điều khiển hệ chuyển động bám theo quỹ đạo mong muốn là vấn đề tồn tại thực tế cần nghiên cứu giải quyết Hiện nay phương ti ện lý thuyết và thực nghiệm cho phép thực hiện được các bài toán phức tạp nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng yêu cầu như độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ cũng như khả năng bám của hệ
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ điều khiển mờ, điều khiển mờ thích nghi và ứng dụng chúng cho hệ điều khiển truyền động có khe hở nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống này
PHẦN 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Hệ thống điều khiển truyền động có khe hở
- Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật toán điều khiển
- Thiết kế hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở logic mờ thích nghi cho điều khiển truyền động có khe hở
- Mô hình hoá và mô phỏng để kiệm nghiệm kết quả nghiên cứu
2.2 Phương pháp nghiên cứu:
a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Trang 3Nghiên cứu về các ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi mờ trong hệ truyền động
b Phương pháp thực nghiệm:
Tiến hành các thực nghiệm
PHẦN 3: DỰ KIẾN KẾT QUẢ VÀ KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU
3.1 Kết quả và sản phẩm nghiên cứu:
Đề tài gồm 3 phần: Mở đầu, Đối tượng nghiên cứu và Nội dung
Phần Nội dung gồm có 3 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
1.1.CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN
1.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính
1.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến
1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
1.2.1 Khái quát về lý thuyết điều khiển mờ
1.2.2 Định nghĩa tập mờ
1.2.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ
1.2.4 Suy luận mờ và luật hợp thành
1.2.5 Bộ điều khiển mờ
1.2.6 Hệ điều khiển mờ lai (F-PID)
1.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
1.3.1 Giới thiệu tổng quan
1.3.2 Tổng hợp điều khiển thích nghi trên cơ s ở lý thuyết tối ưu cục
bộ (Phương pháp Gradient)
1.3.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi trên cơ sở ổn định
tuyệt đối
1.3.4 T ổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết
Lyapunov
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ TRUYỀN
ĐỘNG CÓ KHE HỞ
2.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG
2.2 MÔ TẢ HỆ PHI TUYẾN
2.3 MÔ HÌNH HỆ PHI TUYẾN
2.3.1 Mô hình tĩnh
2.3.2 Mô hình động
2.4 HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
2.4.1 Giới thiệu
2.4.2 Các mô hình của hệ truyền động có khe hở
2.4.2.1 Mô hình vật lý của khe hở
2.4.2.2 Mô hình Deadzone (vùng chết)
2.4.2.3 Mô hình với hàm mô tả
2.4.3 Sơ đồ cấu trúc khe hở
2.4.4 Khảo sát chất lượng của hệ thống truyền động có khe hở
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ & MỜ THÍCH
Trang 4NGHI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP T ỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI
3.1.1 KHÁI NIỆM
3.1.1.1 Định nghĩa
3.1.1.2 Phân loại
3.1.1.3 Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ
3.1.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ỔN ĐỊNH
3.1.2.1 Cơ sở lý thuyết
3.1.2.2 Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ thích nghi
a Chọn cấu trúc của bộ điều khiển mờ
b Các bước thực hiện thuật toán
3.1.3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN CƠ
SỞ LÝ THUYẾT THÍCH NGHI KINH ĐIỂN
3.1.3.1 Đặt vấn đề
3.1.3.2 Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ
a Chọn các hàm liên thuộc
b Chọn luật điều khiển
c Phân tích luật cơ sở hình thành ô suy luận
d Các thao tác mờ trong ô suy luận
e Xây dựng biểu thức toán học của bộ điều khiển mờ
3.1.4 XÂY DỰNG CƠ CẤU THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU
CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
3.1.4.1 Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) dùng
lý thuyết thích nghi kinh điển
3.1.4.2 Đi ều chỉnh thích nghi hệ số khuếch đại đầu ra bộ điều
khiển mờ
3.1.4.3 Sơ đ ồ điều khiển thích nghi mờ theo mô hình mẫu
(MRAFC)
3.1.4.4 Sơ đ ồ điều khiển thích nghi mờ kiểu truyền thẳng
(FMRAFC)
3.2 ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
3.2.1 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
3.2.1.1 Sơ đồ khối mờ
3.2.1.2 Định nghĩa tập mờ
3.2.1.3 Xây dựng các luật điều khiển “Nếu…Thì”
3.2.1.4 Chọn luật hợp thành
3.2.1.5 Giải mờ
3.2.1.6 Chương tr ình và kết quả mô phỏng hệ truyền động có khe
hở
3.2.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
4 Kế hoạch nghiên cứu
Kế hoạch về tiến độ:
Nội dung Thời gian thực hiện Dự kiến kết quả
- Nghiên cứu việc ứng
dụng điều khiển thích nghi
mờ trong hệ truyền động
01/2013 – 03/2013 - Thực trạng ứng dụng
Trang 5- Tiến hành các thực
nghiệm
- Đánh giá lợi ích thu được
từ việc áp dụng các giải
pháp và báo cáo
03/2013 – 09/2013 09/2013 – 12/2013
- Quy trình kiểm toán
- Báo cáo các giải pháp và lợi ích thu được từ các giải pháp
5 Dự kiến kinh phí thực hiện :
* Tổng kinh phí : 30.000.000 đồng
* Dự trù kinh phí theo các mục chi
- Nguyên vật liệu, năng lượng: 5.000.000đ
- Thiết bị máy móc chuyên dụng: 5.000.000đ
- Nghiệm thu đề tài và các chi phí khác: 15.000.000đ
Ghi bằng chữ: ( Ba mươi triệu đồng chẵn)
6 Thông tin khác :
Đà Nẵng, ngày 8 tháng 01 năm 2013
Ý kiến của giáo viên hướng dẫn Học viên
Trần Quốc Bảo
Trang 6TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
A Tiếng Việt
[1] Nguyễn như Hiển, Lại Khắc Lãi (2007), Hệ mờ và nơron trong kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội
[2] Lại Khắc Lãi (2007), Ứng dụng hệ mờ - nơron để nhận dạng hệ phi tuyến nhiều chiều, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật (số 60)
[3] Lại Khắc Lãi, “Xây dựng hệ điều khiển thông minh để điều khiển đối tượng phi tuyến khó mô hình hoá”, Đề tài NCKH cấp bộ năm 2002; Mã số: B2002.02.03 [4] Lại Khắc Lãi, “Nghiên cứu ứng dụng hệ mờ + Nơ ron để điều khiển chuyển động nhiều trục”, Đề tài NCKH cấp bộ năm 2004; Mã số: B2004
[5] Lại Khắc Lãi; “Một thuật toán thiết kế bộ điều khiển thông minh và ứng dụng”, Tuyển tập các báo cáo khoa học Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về tự động hoá 4/2005, Tr 306-311
[6] Đỗ Trung Hải (2006), “Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ và mạng nơron ứng dụng giải quyết bài toán phi tuyến trong hệ truyền động điện”, Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp bộ, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
[7] Phan Xuân Minh & Nguy ễn Doãn Phước (2006), “Lý thuy ết điều khiển mờ”, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
[8] Bùi Chính Minh, “Nghiên cứu điều khiển chuyển động cho hệ có xét đến ảnh hưởng của khớp nối mềm với hệ điều khiển phản hồi trạng thái”, Báo cáo đ ề tài NCKH cấp bộ năm 2005, mã số CB2005-07
[9] Nguy ễn Thương Ngô (2006), “Lý thuy ết điều khiển tự động - Quyển 3”, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
[10] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh & Hán Thành Trung (2003), “Lý thuyết
điều khiển phi tuyến”, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
Trang 7B Tiếng Anh
[1] George Ellis, “Cures for Mechanical Resonance in Industrial Servo Systems”,
A
Danaher Motion Company, USA
[2] George Ellis, Robert D Lorenz, “Resonant Load Control Methods for Industrial Servo Drives”, IEEE Industry Applications Society, Annual Meeting, Rome, Italy,
2000
[3] “Mechanical Resonance”, PT Design Magazine, 1999
[4] Koji Sugiura and Yoichi Hori, “Vibartion Suppression in 2-and 3 Mass System Based on the Feedback of Imperfect Derivative of the Estimated Torsional Torque”
IEEE, Vol 43, No 1, February -1996
[5] OdaiM.and HoriY Speed control of 2-inertia system with gear backlash using gear torque compensator 1998
[6] NakayamaY,FujikawaK.and KobayashiH A torque control method of three-inertia torsional system with backlash 2000
[7] GelbA.and Vander Velde W.E Multiple- input describing functions and
nonlinear system design 1968: NewYork
[8] MeesA and BergenA Describing functions revisited 1975:University of
California, Berkeley
[9] TaylorJ.and WilsonB A frequency-domain model-order-deduction algorithm for
nonlinear systems 1995: New Brunswick University
[10] ArmstrongB.and AminB PID control in the presence of static friction:
Acomparison of Algebraic and describing function analysis 1996:Milwaukee [11] RmstrongB.and AminB.PID control in the presence of static friction:Exact and describing function analysis 1994:Milwaukee
[12] Brandenburg G.and SchäferU Influence and partial compensation of backlash for aposition controll edelastic two- mass system 1987:Grenoble
[13] BonehR.and YanivO Control of anelastic two-mass system with large
backlash 1999:Tel Aviv
Trang 8[14] Friedland,B Feedback control of systems with parasitice?ects
1997:Albuquerque