Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔN G NGHI ỆP NGUYỄN VĂN CƯỜNG ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Văn Cường Sinh ngày 29 tháng 08 năm 1983 Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tôi xin cam đoan luận văn “Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực” thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tơi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Cường Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực ” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập để hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, nhiên điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bè đồng nghiệp cho luận văn tơi hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014 Tác giả Nguyễn Văn Cường Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜ I C A M Đ O A N i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i iiMỤC LỤC iv D A N H M Ụ C C Á C C H Ữ V I Ế T T Ắ T viLỜI NĨI ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍC H CỰC 1.1 Giới thiệu chung hệ thống giảm chấn 1.1.1 Hệ thống giảm chấn 1.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn 1.2 Ưu điểm nhược điểm hệ thống giảm chấn tích cực điện từ 11 1.3 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính 12 1.4 Các ứng dụng xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 13 1.1.1 Các ứng dụng 13 1.1.2 Các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 14 1.5 Kết luận chương 14 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIẢM CH ẤN TÍCHCỰC 15 2.1 Phương trình động học hệ thống giảm chấn tích cực 15 2.2 Mơ đáp ứng hệ 17 2.3 Xây dựng hàm truyền đáp ứng tần số hệ thống 22 2.4 Mơ hình động tuyến tính dạng ống 25 2.5 Mơ hình hệ thống có kể động tuyến tính 31 2.6 Kết luận chương 33 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐN G GIẢMCHẤN TÍCH CỰC 34 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.1 Đặt vấn đề 34 3.2 Thiết kế điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực 34 3.2.1 Đặt vấn đề 34 3.2.2 Thiết kế điều khiển tối ưu LQG 36 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.3 3.3 Mô hệ thống 38 Thiết kế điều khiển lực điều khiển dòng cho LBM 43 3.3.1 Thiết kế điều khiển dòng cho LBM 43 3.3.2 Thiết kế điều khiển lực 45 3.4 Sơ đồ mô tổng thể hệ thống 47 3.4.1 Trường hợp nhiễu d(t) có dạng xung vng 47 3.4.2 Trường hợp nhiễu d(t) có dạng ngẫu nhiên 51 3.4.3 So sánh có tác động điều khiển khơng có tác động điều khiển 3.5 Kết luận chương 53 54 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG GIẢ M CHẤN TÍCH CỰC 55 4.1 Giới thiệu mơ hình giảm chấn cực 55 4.2 Các thông số hệ thống 57 4.3 Kết thực nghiệm 58 4.4 Kết luận chương 61 KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Mơ hình hệ thống giảm chấn điển hình Hình 1-2 Minh họa dao động hệ thống giảm chấn với tác dụng d Hình 1-3 Hệ thống giảm chấn thụ động Hình 1-4 Hệ thống giảm chấn tích cực Hình 1-5 Hệ thống giảm chấn chủ động thủy lực 10 Hình 1-6 Hệ thống giảm chấn chủ động cấu điện từ 10 Hình 1-7 Hệ thống giảm chấn bán chủ động 11 Hình 1-8 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính 13 Hình 1-10 Hệ thống cân ghế phương tiện vận tải 14 Hình 2-2 Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực 15 Hình 2-3 Thư viện Simscape Matlab/Simulink 17 Hình 2-4 Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực thực Matlab/simulink simscape 18 Hình 2-5 Bên mơ hình hệ thống giảm chấn sử dụng simscape 19 Hình 2-6 Các tham số hệ thống giảm chấn tích cực 19 Hình 2-7 Đáp ứng HT giảm chấn với tác động dao động dạng xung vng 20 Hình 2-8 Đáp ứng HT giảm chấn với tác động dao động có dạng 21 Hình 2-9 Các hàm truyền hệ thống giảm chấn 23 Hình 2-10 Quan hệ tần số tỷ số X s (s) / D(s) 24 Hình 2-11 Quan hệ tần số tỷ số X us (s) D(s) / D(s) 24 Hình 2-12 Quan hệ tần số tỷ số X s (s) D(s) / D(s) 24 Hình 2-13 Minh họa mặt cắt LBM, lực tạo từ rotor dịch chuyển theo phương z 26 Hình 2-14 Mơ hình LBM thực Matlab/Simulink 29 Hình 2-15 Các tham số vật lý động LBM 30 Hình 2-16 Các đáp ứng dòng áp động LBM 30 Hình 2-17 Các đáp ứng K/C dịch chuyển rotor, lực giá trị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LBM 31 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2-18 Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM 32 Hình 2-19 Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM thực Matlab/Simulink 32 Hình 3-1 Cấu trúc điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 34 Hình 3-3 Cấu trúc điều khiển hệ thống 36 Hình 3-4 Sơ đồ mô BĐK dập tắt dao động dùng điều khiển tối ưu 39 LQG Hình 3-5 Kết mô khả dập tắt dao động điều khiển tối ưu 40 Hình 3-6 Lực Fs tạo điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao 41 Hình 3-7 Kết mô khả dập tắt dao động điều khiển tối ưu 41 Hình 3-8 Lực Fs tạo điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao động trường hợp nhiễu có kỳ vọng khác 43 Hình 3-10 Sơ đồ mơ điều khiển dòng cho LBM 44 Hình 3-11 Xác định tham số điều khiển dòng cho LBM sử dụng cơng cụ Step Response Specification 44 Hình 3-12 Kết điều khiển dòng điện id iq với dòng điện idref = 0.5A, dòng điện iqref=1.2A 45 Hình 3-13 Sơ đồ mơ điều khiển lực 46 Hình 3-14 Kết mơ điều khiển lực, so sánh lực đặt lực tạo LBM 46 Hình 3-15 Sơ đồ mô tổng thể hệ thống 47 Hình 3-16 Các trạng thái hệ thống giảm chấn điều khiển với tác động nhiễu có dạng xung vng 48 Hình 3-17 Các trạng thái LBM với nhiễu dạng xung vng 49 Hình 3-18 Lực đặt điều khiển LQG đưa lực tạo LBM 50 Hình 3-19 Sai số lực đặt điều khiển LQG đưa lực tạo LBM 50 Hình 3-20 Các trạng thái hệ thống giảm chấn điều khiển với tác động nhiễu có dạng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3-21 Các trạng thái LBM với trường hợp nhiễu 52 Hình 3-22 Lực đặt điều khiển LQG đưa lực tạo LBM trường hợp nhiễu 53 Hình 3-23 Sai số lực đặt điều khiển LQG đưa lực tạo LBM trường hợp nhiễu 53 Hình 3-24 So sánh kết giảm chấn trường hợp khơng có giảm chấn tích cực, điều khiển trực tiếp (không qua LBM) lực tạo LBM 53 Hình 4-1 Mơ hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực 55 Hình 4-2 Động tạo dao động cách quay trục cam 55 Hình 4-3 Card ghép nối Arduino 56 Hình 4-4 Động LBM tự tạo mạch công suất 56 Hình 4-5 Tồn thể mơ hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực 57 Hình 4-6 Cấu trúc điều khiển hệ thống Matlab/Simulink 57 Hình 4-7 Nhiễu d(t) tác động vào hệ thống giảm chấn tạo từ trục cam 58 Hình 4-8 Lực giảm chấn tạo điều khiển tối ưu LQG 58 Hình 4-9 Dao động khối treo xus(t) 59 Hình 4-10 Dao động khối thân xs(t) 59 Hình 4-11 Sai lệch xs(t) – xus(t) 60 Hình 4-12 So sánh trường hợp có giảm chấn tích cực khơng giảm chấn 60 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT LQG Linear Quadratic Gaussian Tuyến tính Gaussian LQR Linear Quadratic Regulator Bộ đ PID Proportional- Intergral- Derivative LBM Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên – - Động tuyến tính http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Lực đặt lực thực tạo LBM 2000 Fs dat 1000 -1000 -2000 10 time(s) 10 Fe tao boi LBM 2000 1000 -1000 -2000 e-fe=Fe dat - Fe thuc tao boi LBM Hình 0-18 Lực đặt điều khiển LQG đưa lực tạo LBM 30 20 10 -10 -20 -30 Fe dat - Fe thuc tao boi LBM Hình 0-19 Sai số lực đặt điều khiển LQG đưa lực tạo LBM 3.4.2 Trường hợp nhiễu d(t) có dạng ngẫu nhiên d(t) -2 10 10 10 time(s) 10 -4 xs(t) x 10 -2 -4 xus(t) x 10 -2 -4 xs(t)-xus(t) x 10 -2 Hình 0-20 Các trạng thái hệ thống giảm chấn điều khiển với tác động nhiễu có dạng Teta -50 -100 10 10 10 10 10 10 time(s) 10 i abc 0.02 -0.02 Phi abc 0.2 -0.2 Fe -5 x -0.01 -0.02 -0.03 idq 0.02 -0.02 10 udq -10 -20 Hình 0-21 Các trạng thái LBM với trường hợp nhiễu Fe dat -2 -4 10 time(s) 10 Fe thuc tao boi LBM -2 -4 Hình 0-22 Lực đặt điều khiển LQG đưa lực tạo LBM e fe=Fe dat - Fe thuc tao boi LBM trường hợp nhiễu 0.015 0.01 0.005 -0.005 -0.01 time(s) 10 Hình 0-23 Sai số lực đặt điều khiển LQG đưa lực tạo LBM trường hợp nhiễu 3.4.3 So sánh có tác động điều khiển khơng có tác động điều khiển 0.04 Voi Fe tao boi LBM Voi Fe truc tiep Khong co tac dong giam chan 0.03 xs(t) 0.02 0.01 -0.01 -0.02 time(s) 10 Hình 0-24 So sánh kết giảm chấn trường hợp khơng có giảm chấn tích cực, điều khiển trực tiếp (không qua LBM) lực tạo LBM Với kết mơ hình vẽ từ Hình 3-15 đến Hình 3-23 cho trường hợp lực tác động bên ngồi vào có dạng xung vng có dạng ngẫu nhiên cho thấy điều khiển LQG, điều khiển lực, điều khiển dòng cho LBM hoạt động tốt kết hợp chung cho hệ thống Hình 3-23 cho thấy lực tạo LBM có điều khiển lực điều khiển dòng gần với lực đặt điều khiển LQG tạo Điều chứng tỏ mạch vòng trong, mạch vòng điều khiển cho LBM làm việc mong muốn Cả hệ thống gồm điều khiển dập tắt dao động LQG, điều khiển lực điều khiển dòng cho LBM phối hợp thực dập tắt dao động mong muốn 3.5 Kết luận chương Chương luận văn đưa cấu trúc điều khiển dập tắt dao động cho hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM Cấu trúc điều khiển gồm 03 mạch vòng, mạch vòng điều khiển ngồi mạch vòng điều khiển dập tắt dao động, mạch vòng cung cấp giá trị lực đặt để đưa tới mạch vòng mạch vòng điều khiển lực Mạch vòng điều khiển lực nhằm điều khiển LBM tạo lực dập tắt dao động mong muốn, mạch vòng tính tốn giá trị dòng điện đặt để đưa tới mạch vòng điều khiển mạch vòng điều khiển dòng điện Mạch vòng điều khiển dòng điện nhằm xác định điện áp đặt vào LBM Đối với mạch vòng điều khiển dòng điện mạch vòng điều khiển lực luận văn sử dụng điều khiển PID biến thể Các thông số điều khiển xác định để đảm bảo giá trị thực bám theo giá trị đặt Mạch vòng điều khiển dập tắt dao động, luận văn sử dụng điều khiển tối ưu LQG nhằm tối ưu khoảng tín hiệu điều khiển u tác động dao động xs(t) cho xs(t) nhanh chóng giá trị Các kết mơ mạch vòng tổng thể hệ thống đạt yêu cầu mong muốn CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 4.1 Giới thiệu mơ hình giảm chấn cực Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực xây dựng môn Đo lường – Điều khiển, Khoa Điện Tử sau: Cảm biến đo xs Khối thân Động tuyến tính LBM Lò xo giảm chấn Cảm biến đo xus Phần tử có đặc tính lò xo Khối treo Động tạo nhiễu sử dụng cam Nguồn cấp cho LBM Hình 0-1 Mơ hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực Trong đó: nhiễu d(t) tác động vào hệ thống thực động quay trục cam Hình 0-2 Động tạo dao động cách quay trục cam Đo biến: biến đo xs(t), xus(t) đo biến trở gắn thẳng đứng, điện áp xs(t), xus(t) nằm khoảng từ đến 5V Hình 0-3 Card ghép nối Arduino Card ghép nối máy tính sử dụng card Arduno, cho phép kết nối tín hiệu analog xs(t), xus(t) để đưa vào máy tính, tính tốn xuất tín hiệu analog đưa tới điều khiển cho LBM Động LBM: Vì động LBM 03 pha Linmod đắt (cỡ 3000USD), cho luận văn này, tác giả tự quấn động LBM gồm 02 cuộn dây, quấn lõi giấy, có thép gắn cố định với đầu hệ thống giảm chấn Khi điều khiển việc đưa dòng điện vào 02 cuộn dây tạo lực hút đẩy thép, qua ta điều khiển dập tắt dao động Hình 0-4 Động LBM tự tạo mạch cơng suất Máy tính điều khiển: Sử dụng máy tính có cấu hình: tốc độ 2.2GHz, RAM 1GB, Cài đặt Matlab/Simulink điều khiển thời gian thực R2008a Hình 0-5 Tồn thể mơ hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực Cấu trúc điều khiển hệ thống Matlab/Simulink sau: Cài đăt card giao tiếp Arduino thời gian thực Tín hiệu đưa tới điều khiển cuộn dây LBM Real-T ime Pacer Speedup = Scope Real-T ime Pacer Setup Arduino1 COM3 Arduino1 Analog Write Pin Product Arduino IO Setup Đọc tín hiệu trạng thái hệ thống giám chấn Phase A >0 xs Compare T o Zero Arduino1 Analog Read Pin