Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ứng dụng cho đối tượng công nghiệp

1i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ HUY CÔNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ ỨNG DỤNG CHO ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Thái Nguyên - 2014 2i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các kết viết chung với tác giả khác đồng ý đồng tác giả trước đưa vào luận văn Các kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Vũ Huy Cơng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 33 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 44 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH viii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 1.1 Một số nguyên tắc điều khiển công nghiệp 1.1.1 Điều khiển ổn định 1.1.2 Điều khiển theo chương trình 1.2 Các phương pháp điều khiển 1.2.1 Điều khiển kinh điển 1.2.2 Điều khiển đại 1.2.3 Điều khiển thông minh 1.3 Một số điều khiển hệ thống tự động 11 1.3.1 Bộ điều khiển PID 11 1.3.2 Bộ điều khiển PID số 12 1.3.3 Bộ điều khiển mờ 14 1.3.3.1 Giới thiệu 14 1.3.3.2 Bộ điều khiển mờ 14 1.3.3.3 Ưu nhược điểm điều khiển mờ 17 1.3.4 Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử 17 1.4 Chất lượng hệ thống điều khiển tự động yêu cầu thiết kế 19 1.4.1 Chỉ tiêu chất lượng trạng thái tĩnh 20 1.4.2 Chỉ tiêu chất lượng trạng thái độ 20 1.4.3 Các tiêu tích phân 21 55 1.5 Một số phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống tự động 22 1.5.1 Đánh giá chất lượng hệ thống trạng thái xác lập 22 1.5.2 Đánh giá trực tiếp chất lượng hệ thống trình độ 22 1.5.3 Đánh giá chất lượng hệ thống qua tiêu chuẩn tích phân 23 1.6 Kết luận chương 25 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 26 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 66 2.1 Lý thuyết Đại số gia tử 26 2.1.1 Đại số gia tử biến ngôn ngữ 26 2.1.1.1 Biến ngôn ngữ 26 2.1.1.2 Đại số gia tử biến ngôn ngữ 28 2.1.1.3 Các tính chất ĐSGT tuyến tính 30 2.1.2 Các hàm đo đại số gia tử tuyến tính 31 2.1.3 Phương pháp lập luận mờ sử dụng đại số gia tử 33 2.2 Thiết kế điều khiển sử dụng Đại số gia tử 40 2.3 Kết luận chương 42 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM CHÍNH XÁC 43 3.1 Xây dựng mơ hình toán học đối tượng 43 3.1.1 Lựa chọn đối tượng 43 3.1.2 Xây dựng mơ hình tốn học đối tượng 45 3.2 Nghiên cứu thiết kế nâng cao chất lượng điều khiển 45 3.2.1.Thiết kế điều khiển mờ 46 3.2.2.Thiết kế điều khiển sử dụng Đại số gia tử 50 3.2.3 Mô điều khiển HAC Fuzzy Matlab: 52 3.2.4 Đánh giá chất lượng theo tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch 53 3.3 Thí nghiệm mơ hình hệ thống truyền động bám xác 55 3.3.1.Giới thiệu mơ hình hệ thống thí nghiệm 55 3.3.2 Cấu trúc điều khiển điều khiển HAC 57 3.3.3 Kết thí nghiệm 61 3.4 Kết luận chương 62 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 88 CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu:   Tổng độ đo tính mờ gia tử âm Tổng độ đo tính mờ gia tử dương  Giá trị định lượng phần tử trung hòa AX Đại số gia tử AX Đại số gia tử tuyến tính đầy đủ W Phần tử trung hòa đại số gia tử Các chữ viết tắt: ĐTĐK Đối tượng điều khiển ĐSGT Đại số gia tử ĐCTĐTĐĐ Điều chỉnh tự động truyền động điện ĐKTĐ Điều khiển tùy động ĐLNN Định lượng ngữ nghĩa TBĐK Thiết bị điều khiển QTQĐ Quá trình độ LLXX Lập luận xấp xỉ TC Thiết bị chấp hành DSP digital signal processor FAM Fuzzy Associative Memory FLC Fuzzy Logic Control GA Genetic Algorithm SQM Semantic Quantifying Mapping HAC Hedge Algebras-based Controller MeDe5 Mechatronic Demonstrate Setup-2005 PID Proportional – Integral – Derivative DSP digital signal processor SAM SISO Semantic Associative Memory Single-Input-Single-Output 99 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng Tính âm, dương gia tử 30 Bảng 2.2 Các tập mờ biến ngôn ngữ 35 Bảng 2.3 Bảng FAM - Kinh nghiệm phi công 35 Bảng 2.4 Kết điều khiển sử dụng lập luận mờ qua chu kỳ 35 Bảng 2.5 Mơ hình ngữ nghĩa định lượng 37 Bảng 2.6 Tổng hợp kết điều khiển mô hình máy bay hạ cánh 39 Bảng 3.1- Luật điều khiên mờ 49 Bảng 3.2 Lựa chọn tham số cho biến E, IE, U 50 Bảng.3.3 SAM 51 Bảng 3.4 Giá trị tiêu chuẩn tích phân I4 theo tốc độ biến thiên sai lệch α1 =0.2 54 Bảng 3.5 Giá trị tiêu chuẩn tích phân I4 theo tốc độ biến thiên sai lệch α1 =1.5 54 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 51 Nhãn ngôn ngữ đại số gia tử cho biến E, IE, U sau: Very Very Negative (VVN), Very Negative (VN), Negative (N), Litle Negative (LN), W, Little Positive (LP), Posititve (P) Very Positive (VP), Very Very Positive (VVP) Tính tốn giá trị định lượng ngữ nghĩa cho biến E IE: VVN VN 0.108 0.18 N LN W LP P VP VVP 0.3 0.38 0.5 0.62 0.7 0.82 0.892 Tính tốn giá trị định lượng ngữ nghĩa cho biến U VVN VN N LN W LP P VP VVP 0.0456 0.1012 0.225 0.3762 0.5 0.6238 0.775 0.8988 0.9544 Chuyển bảng 3.2 ta bảng SAM bảng 3.3 Bảng.3.3 SAM Mặt cong ngữ nghĩa định lượng biểu diễn mối quan hệ vào - thể hình 3.7 Hình 3.7 Mặt cong ngữ nghĩa định lượng 52 3.2.3 Mô điều khiển HAC Fuzzy Matlab: Hình 3.8 Sơ đồ mơ hệ thống Kết mô phương pháp điều khiển FLC HAC x 10 Mo phong voi FLC va HAC SET VALUES FLC HAC 2.5 Set values (xung) 1.5 0.5 -0.5 10 15 20 25 30 35 40 Time (s) Hình 3.9 Kết mô HAC FLC Nhận xét: - Đã thiết kế điều khiển PI-mờ HAC với hai đầu vào (đầu vào thứ hai tích phân đầu vào thứ nhất) đầu Kết mô nhận thấy hai điều khiển ổn định, bám theo giá trị đặt sau khoảng thời gian xác định, sai lệch hệ thống tiến dần đến 53 - Kết mô cho thấy điều khiển HAC ổn định, độ điều chỉnh nhỏ tác động nhanh Điều chứng tỏ áp dụng HAC hệ thống truyền động bám xác với yêu cầu đảo chiều liên tục ứng dụng vào thực tế 3.2.4 Đánh giá chất lượng theo têu chuẩn tch phân bình phương sai lệch Chất lượng động chất lượng tĩnh hệ thống điều khiển đánh giá riêng lẻ theo tiêu chuẩn hỗn hợp Trong luận văn sử dụng tiêu chuẩn hỗn hợp để đánh giá chất lượng hệ thống phương pháp thuận tiện cơng việc tính tốn & thực nghiệm máy tính để phân tích tổng hợp để hệ tối ưu Khi đánh giá chất lượng hệ thống mà cần quan tâm đến tốc độ biến thiên sai lệch e(t) ta dùng công thức sau  de 2 I   [e(t)  (1 dt ) ]dt (4.1)   e(t) dt : Đặc trưng cho tốc độ nhanh chậm QTQĐ  de   dt[ ] dt : Đặc trưng cho độ phẳng QTQĐ Trong α1 giá trị cố định, thông thường α1 chọn khoảng tqd t qd 1  - Để chất lượng hệ thống tốt nhất, sai số nhỏ điều khiển tối ưu I4 min Ta có sơ đồ mơ phỏng: Hình 3.10 Sơ đồ mô đánh giá tiêu + Xét α1 =0.2 Lập bảng thống kê giá trị I4 thay đổi  : TT   0.3 0.4 0.45 0.8 0.9 0.7 0.6 0.55 0.2 0.1 I4 0.5317175296418 0.5658461328792 0.5743818650058 0.5613918651151 0.5800589365854 Bảng 3.4 Giá trị tiêu chuẩn tích phân I4 theo tốc độ biến thiên sai lệch α1 =0.2 +Xét α1 =1.5 Lập bảng thống kê giá trị I4 thay đổi  : TT  0.3 0.4 0.45 0.8 0.9  0.7 0.6 0.55 0.2 0.1 I4 6.9004741759257 6.9557519526519 7.1903435774097 7.0903047345716 7.1012459342557 Bảng 3.5 Giá trị tiêu chuẩn tích phân I4 theo tốc độ biến thiên sai lệch α1 =1.5 Nhận xét: Từ bảng 4.7, 4.8 4.9 ta nhận thấy để chất lượng hệ thống tốt nhất, sai số nhỏ điều khiển tối ưu  = 0.3  = 0.7, đó, theo cơng thức I4 thì: α1 =0.2 I4min = 0.5317175296418 α1 =1.5 I4min = 6.9004741759257 3.3 Thí nghiệm mơ hình hệ thống truyền động bám xác 3.3.1.Giới thiệu mơ hình hệ thống thí nghiệm Hình 3.11 Mơ hình hệ thống truyền động bám xác Hình 3.11 mơ hình thí nghiệm hệ truyền động xác phòng thí nghiệm Điện - Điện tử - Trường ĐHKT Công nghiệp thiết kế theo nguyên tắc hoạt động mơ hình MEDE5, điều khiển chuyển động đến vị trí xác theo giá trị đặt chuyển động theo quỹ đạo mẫu đặt sẵn Phát triển mơ hình ứng dụng thực tiễn máy vẽ chiều, chiều, máy CNC hay hệ thống điều vị trí khiển xác khác Việc điều khiển chuyển động bám xác cho hệ thống thực qua điều khiển động servo Tín hiệu hệ thống bám xác theo tín hiệu đặt Khi có sai lệch, tín hiệu hệ thống qua encoder gửi so sánh với giá trị đặt điều khiển, từ điều khiển gửi tín hiệu để điều khiển động cho tín hiệu bám chặt theo tín hiệu đặt Hệ thống gồm thành phần: - Arduino Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (Encoder) giao tiếp với máy tính, xuất tín hiệu mạch cơng suất (cầu H) để điều khiển động Hình 3.12 Arduino Board Arduino bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, thiết bị khác Nhưng ưu điểm Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình học cách nhanh chóng người am hiểu lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng đến phần mềm Arduino chọn làm não xử lý nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Arduino kết hợp với phần mềm Labview Matlab, tạo điều kiện dễ dàng cho việc kiểm nghiệm thuật toán điều khiển thực tế - Mạch cầu H (H-Bridge Circuit): điều khiển MOSFET công suất, cho phép đảo chiều, chống trùng dẫn, dòng cho phép 10A, thực nhiệm vụ đảo chiều động - Công tắc hành trình LXW5-11G1 dùng để giới hạn hành trình chuyển động trượt - Động servo cấu bánh dùng để truyền động hệ thống động DB M60-8 có thơng số: + Điện áp 24 V + Tốc độ 3000 vòng/phút + Cơng suất: 60W + Encoder: 1000 xung/ vòng + Cơ cấu bánh để thay đổi tỉ số truyền Hình 3.13 Động servo cấu bánh 3.3.2 Cấu trúc điều khiển điều khiển HAC Bài toán điều khiển điều khiển chuyển động đến vị trí xác theo giá trị đặt với yêu cầu đảo chiều liên tục đòi hòi điều khiển tác động nhanh, loại bỏ nhiễu ma sát cho trình gia tốc, giảm tốc trượt êm Hình 3.14 Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám xác Bộ điều khiển HAC thiết kế Matlab/Simulink thực kết nối với hệ thống tương đối dễ dàng thông qua việc sử dụng Arduino - Board tạo khả ứng dụng lớn thiết kế điều khiển cho đối tượng thực khác Hình 3.15 Bộ điều khiển HAC - Sơ đồ cấu trúc lọc biến trạng thái SVF - State Variable Function Hình 3.16 State Variable Function - Arduino Board: gồm khối giao diện Arduino IO setup: cổng kết nối vào Real-Time Pacer: cổng thiết lập cấu hình thời gian thực Encoder read: cổng đọc tín hiệu từ encoder Arduino analog write: cổng tín hiệu vào PWM tương tự Arduino digital write: cổng tín hiệu vào số Hình 3.17 Cổng kết nối vào Hình 3.18 Cổng thiết lập cấu hình thời gian thực Hình 3.19 Cổng đọc tn hiệu từ encoder Hình 3.20 Cổng tín hiệu vào PWM tương tự Hình 3.21 Cổng tín hiệu vào số - Điều khiển đảo chiều động servo Hình 3.22 Điều khiển tốc độ chiều quay 3.3.3 Kết thí nghiệm x 10 HAC HAC SET VALUES Values (xung/vong) 2.5 1.5 0.5 0 10 15 20 25 Time (s) Hình 3.23 Đáp ứng hệ thống với HAC đầu vào Sai lech e(t) - HAC 4000 3000 2000 1000 -1000 -2000 -3000 10 15 20 25 Time (s) Hình 3.24 Sai lệch e(t) Nhận xét: - Chất lượng hệ thống với HAC tốt, tín hiệu bám theo giá trị đặt, sai lệch nhỏ ổn định với nhiễu hệ thống - Từ thực nghiệm ta thấy điều khiển sử dụng HAC ứng dụng vào điều khiển đối tượng thực tế đảm bảo chất lượng hệ thống đạt yêu cầu 3.4 Kết luận chương Luận văn nghiên cứu thiết kế điều khiển sử dụng đại số gia tử đánh giá theo tiêu chuẩn tích phương bình phương sai lệch Ngoài ra, luận văn nghiên cứu thiết kế điều khiển mờ động so sánh với điều khiển đại số gia tử cho đối tượng cơng nghiệp Lập trình điều khiển sử dụng đại số gia tử dựa phần mềm chuyên dụng Matlab: thông số đối tượng cho hàm truyền tương ứng với hai đầu vào (đầu vào thứ hai đạo hàm đầu vào thứ nhất) đầu Kết mô với độ điều chỉnh nhỏ, thời gian đáp ứng độ nhanh sai lệch tĩnh không Đánh giá chất lượng điều khiển Đại số gia tử trình khảo sát thực nghiệm máy tính thay đổi giá trị   cho chất lượng hệ thống tốt hay sai số nhỏ (chỉ tiêu tích phân) Qua q trình làm thực nghiệm cho  thay đổi từ 0.1 đến 0.9 ta thấy  = 0.3,  = 0.7 cho kết hệ tốt Đã khảo sát thực nghiệm mơ hình vật lý cụ thể hệ thống truyền động bám xác Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ứng dụng vào điều khiển đối tượng thực tế đảm bảo chất lượng hệ thống đạt yêu cầu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Luận văn giải số nội dung sau: Luận văn nghiên cứu thiết kế điều khiển mờ động nghiên cứu thiết kế điều khiển sử dụng đại số gia tử đánh giá theo tiêu chuẩn tích phương bình phương sai lệch Phương pháp thiết kế kiểm chứng mơ thí nghiệm hệ thống vật lí cụ thể hệ thống truyền động bám xác Điều chứng tỏ khả ứng dụng điều khiển sử dụng đại số gia tử việc thiết kế hệ thống tự động công nghiệp  Kiến nghị hướng nghiên cứu Nghiên cứu thí nghiệm điều khiển sử dụng Đại số gia tử đối tượng vật lý cụ thể khác đặc biệt hệ thống có độ tuyến tính cao Nghiên cứu chế tạo tích hợp điều khiển sử dụng đại số gia tử chip VI sử lý đưa vào sử dụng thực tế Xây dụng công cụ để bổ xung vào Toolbook Matlap đại số gia tử để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Cơng Cường, Nguyễn Dỗn Phước, Hệ mờ mạng nơron ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, 2000 [2] Vũ Như Lân (2006), Điều khiển sử dụng logic mờ, mạng nơ ron đại số gia tử, NXB Khoa học kỹ thuật [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa học kỹ thuật, 2003 [4] Nguyễn Phùng Quang: MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2006 [5] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, 2002 [6] Le Hoai Bac, Le Hoang Thai, The GA_NN_FL associated model in solving the problem of fngerprint authentication, KES’ 2004, Wellington, NewZealand [7] Cuong Nguyen Duy (2008), Advanced Controllers for Electromechanical motion Systems, The degree of doctor at the University of Twente [8] Ho N.C., Wechler W Hedge algebras, An algebraic approach to structure of sets linguistic truth values, Fuzzy set and system, 35, 218-293, 1990 [9] Ho N.C., Wechler, Extended hedge algebras and their application to fuzzy logic, Fuzzy set and system, 52, 259-281, 1992 [10] Ho N.C, Nam H.V, Khang T.D, Chau N.H, Hedge algebras, linguisticvalue logic and their application to fuzzy logic reasoning, Internat J Uncertainly fuzziness knowledge-based systems, (4), 347-361, 1999 [11] Ho N.C, Nam H.V, An algebraic approach to linguistic hedges in Zadeh’s fuzzy logic, Fuzzy set and system, 129, 229-254, 2002 ... học đối tượng 45 3.2 Nghiên cứu thiết kế nâng cao chất lượng điều khiển 45 3.2.1 .Thiết kế điều khiển mờ 46 3.2.2 .Thiết kế điều khiển sử dụng Đại số gia tử 50 3.2.3 Mô điều khiển. .. số gia tử và phát triển phương pháp thiết kế cho số đối tượng công nghiệp Phương pháp luận việc nghiên cứu xuất phát từ lý thuyết Đại số Gia tử, thiết kế điều khiển , mô kiểm chứng kết việc nghiên. .. Điều chứng tỏ khả ứng dụng điều khiển sử dụng đại số gia tử việc thiết kế hệ thống tự động cơng nghiệp Kiến Nghị Nghiên cứu thí nghiệm điều khiển sử dụng Đại số gia tử đối tượng vật lý cụ thể khác