(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại

(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ hồng ngoại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn ĐẶNG QUỐC HƯNG ii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI Học viên: Đặng Quốc Hưng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 Khóa: K33.TĐH(PFIEV) Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Mục tiêu nghiên cứu nhằm trình bày giải pháp cải tiến từ thiết kế khí đến kỹ thuật điều khiển góp phần nâng cao khả định vị hệ thống quan trắc môi trường từ xa (VISRAM) quang phổ kế biến đổi Fourier hồng ngoại (FTIRS) Thiết kế ban đầu hệ thống quan trắc sử dụng cấu quay quét tay quay tồn hạn chế việc định vị xác quang phổ kế hướng đến đối tượng vùng giám sát Giải pháp đề xuất thay hai tay quay định hướng Pan-Tilt động bước truyền động Hệ thống định vị cách tự động thông qua việc điều khiển động bước Kỹ thuật điều khiển vịng kín cho động bước trình bày nhằm khắc phục nhược điểm gây điều khiển vịng hở phương pháp kích xung Mơ hình toán học phi tuyến động bước lai hai pha thiết lập Một phương pháp biến đổi mô hình đề xuất kết hợp phép biến đổi Park với kỹ thuật tuyến tính hóa xác cho phép chuyển đổi vấn đề điều khiển hệ thống phi tuyến đa đầu vào - đa đầu thành vấn đề điều khiển tuyến tính đơn giản Các kết mô thực Simulink/Matlab cho phép chứng minh tính ưu việc điều khiển PID mờ đề xuất so với điều khiển PID thông thường việc định vị xác hệ thống quan trắc hướng đến đối tượng giám sát Từ khóa - điều khiển PID mờ; động bước lai hai pha; phép biến đổi Park; kỹ thuật tuyến tính hóa xác; hệ thống quan trắc môi trường từ xa STUDY APPLICATION OF A FUZZY-PID CONTROLLER FOR POSITION CONTROL OF REMOTE ATMOSPHERIC MONITORING SYSTEM USING INFRARED SPECTROSCOPY Abstract - The objective of this research is to present improved solutions from mechanical design to control engineering that contribute to enhance the positioning capacity of Vietnam’s Remote Atmospheric Monitoring System (VISRAM) using Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIRS) The initial design of this system using pan-tilt manual mechanism has many limitations in accurately positioning the spectrometer towards a targeting subject in the monitoring area The proposed solution is to replace the two pan-tilt arms with two-phase hybrid stepper motors and transmission mechanism The spectrometer is automatically positioned via stepper motors control The closed-loop control is designed to overcome the disadvantages caused by the open-loop control using pulse generation techniques The iii nonlinear mathematical model of a two-phase hybrid stepper motor is established A proposed model transform method incoporating the Park transform with a precise linearization technique allows converting the control problem of a multi-input multi-output nonlinear system into a linear control problem Simulation results realized in Simulink/Matlab demonstrated the superiority of the proposed fuzzy PID controller with respect to a conventional PID controller in accurately positioning the spectrometer towards a targeting subject in the monitoring area Key words - fuzzy PID controller; two-phase hybrid stepper motor; Park transform; precise linearization technique; remote atmospheric monitoring system iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC…… iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU……… 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN CHƯƠNG - QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ TỪ XA 1.2 NGHIÊN CỨU VỀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA 1.2.1 Nghiên cứu giới 1.2.2 Nghiên cứu Viện VIELINA 1.3 VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TỪ XA 11 KẾT LUẬN CHƯƠNG 13 CHƯƠNG - THIẾT KẾ CƠ CẤU QUAY QUÉT 14 MỞ ĐẦU CHƯƠNG 14 2.1 NHU CẦU ĐẶT RA VÀ GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 14 2.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 16 2.2.1 Giới thiệu 16 2.2.2 Cấu tạo 16 2.2.3 Nguyên lý làm việc 18 2.2.4 Điều khiển động bước thông dụng 19 2.3 THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 21 2.3.1 Thiết kế tổng thể phần cứng 21 2.3.2 Lựa chọn thiết bị 22 2.3.3 Thiết kế mạch điều khiển 25 v 2.4 GÁ LẮP, KẾT NỐI THIẾT BỊ 31 2.4.1 Cài đặt ghép nối 31 2.4.2 Lắp ráp tổng thể 32 2.5 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 33 2.5.1 Tính tốn góc bước 33 2.5.2 Lưu đồ thuật toán 34 2.5.3 Phần mềm điều khiển 35 2.6 MỘT VÀI NHẬN XÉT KHI QUAN SÁT THỰC NGHIỆM 36 KẾT LUẬN CHƯƠNG 37 CHƯƠNG - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN CHO ĐỘNG CƠ BƯỚC 38 MỞ ĐẦU CHƯƠNG 38 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 38 3.2 MƠ HÌNH HĨA HỆ ĐIỀU KHIỂN 39 3.2.1 Mơ hình tốn học 39 3.2.2 Phương pháp biến đổi mơ hình 42 3.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 45 3.3.1 Bộ điều khiển PID thông thường 46 3.3.2 Bộ điều khiển PID mờ 48 3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN 50 3.5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG SIMULINK/MATLAB VÀ ĐÁNH GIÁ 50 3.5.1 Tham số vật lý mô 50 3.5.1 Mô hệ thống điều khiển vòng hở 50 3.5.2 Mơ hệ thống điều khiển vịng kín 53 KẾT LUẬN CHƯƠNG 61 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 KẾT LUẬN 63 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) 68 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: f Tần số dòng điện điện áp (Hz) CÁC CHỮ VIẾT TẮT: FTIRS Fourier transform infrared spectrometer (Quang phổ kế biến đổi Fourier hồng ngoại) GPS Global Positioning System (Hệ thống định vị toàn cầu) PID Propotional Integral Derivative (Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ) VISRAM Vietnam System for Remote Atmospheric Monitoring (Hệ thống quan trắc môi trường khơng khí từ xa Việt Nam) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Thông số kỹ thuật động bước VEXTA C014S9212K 22 2.2 Thông số kỹ thuật truyền động Rino Ondrives PF30-30ANM 23 2.3 Thông số kỹ thuật driver M660024 24 2.4 Cài đặt cường độ dòng điện 25 2.5 Cài đặt vi bước cho driver 25 2.6 Nối dây Driver M6600 31 3.1 Định nghĩa quy luật mờ điều khiển PID mờ 55 3.2 So sánh tiêu thiết kế 60 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ, đồ thị 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 Tên hình vẽ, đồ thị Trang Kết cấu bên hệ thống thiết bị mẫu Kết cấu bên hệ thống thiết bị mẫu Giao thoa kế kiểu Michelson Lắp đặt HI 90 khu công nghiệp Sản phẩm hệ thống quang phổ kế VISRAM Sơ đồ cấu trúc hệ thống Hệ thống quang bắt ảnh dựa nguyên lý giao thoa Michelson Định vị thủ công cấu quay quét tay quay 4-532206 VISRAM Cơ cấu quay quét hệ thống VISRAM Sơ đồ khối module điều khiển cấu quay quét Hình dạng động bước Bên động bước Cấu tạo động bước Một xung tương ứng với bước rotor (1 xung – bước) Tương quan trình điện trình động bước Minh họa xung điện áp cấp cho cuộn dây stator Sơ đồ nguyên lý động bước m pha với Rotor cực lực điện từ điều khiển xung cực Sơ đồ dây loại động bước hãng Oriental Sơ đồ hệ truyền động động bước Mô thiết kế phần cứng cấu quay quét Động bước VEXTA C014S-9212K Bộ truyền động Rino Ondrives PF30-30ANM Driver M6600 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cung cấp mạch điều khiển Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp mạch điều khiển Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển mạch điều khiển 7 10 10 12 15 15 16 16 17 17 18 18 18 20 21 22 22 23 24 26 26 26 54 Hình 3.14 Cấu trúc điều khiển PID thông thường Cấu trúc điều khiển cho hệ thống nghiên cứu thực Simulink/Matlab thể Hình 3.15: Hình 3.15 Sơ đồ mô cho hệ thống nghiên cứu Thông qua nghiên cứu mô Simulink/Matlab, tham số điều khiển PID lựa chọn là: K p = 25; Ki = 100; Kd = 1,5 Đáp ứng bước điều khiển PID với tham số lựa chọn biểu diễn Hình 3.16: Hình 3.16 Đáp ứng bước điều khiển PID thông thường 55 Các tham số điều khiển PID mờ xác định thông qua mối liên hệ với tham số điều khiển PID thơng thường trình bày cơng thức 3.27 Kết nhận tham số điều khiển PID mờ là: GE = 10; GCE = 1; GU = 1,5; GCU = 10 Hình 3.17 trình bày cấu trúc điều khiển PID mờ thực Simulink/Matlab Hình 3.17 Cấu trúc điều khiển PID mờ Simulink/Matlab Trong quy luật mờ định nghĩa Bảng 3.1: Bảng 3.1 Định nghĩa quy luật mờ điều khiển PID mờ E Negative Zero Positive CE Negative Large Negative Small Negative Zero Zero Small Negative Zero Small Positive Positive Zero Small Positive Large Positive Code Matlab thực thi quy luật mờ sau: %% Fuzzy PID % Structure of fuzzy PID FIS_PID = newfis('FIS_PID', 'sugeno'); % Input E FIS_PID = addvar(FIS_PID, 'input', 'E', [-10 10]); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'input', 1, 'Negative', 'gaussmf', [5 -10]); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'input', 1, 'Zero', 'gaussmf', [5 0]); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'input', 1, 'Positive', 'gaussmf', [5 10]); % Input CE FIS_PID = addvar(FIS_PID, 'input', 'CE', [-10 10]); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'input', 2, 'Negative', 'gaussmf', [5 -10]); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'input', 2, 'Zero', 'gaussmf', [5 0]); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'input', 2, 'Positive', 'gaussmf', [5 10]); % Ouput U FIS_PID = addvar(FIS_PID, 'output', 'u', [-20 20]); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'output', 1, 'Large Negative', 'constant', -20); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'output', 1, 'Small Negative', 'constant', -10); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'output', 1, 'Zero', 'constant', 0); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'output', 1, 'Small Positive', 'constant', 10); FIS_PID = addmf(FIS_PID, 'output', 1, 'Large Positive', 'constant', 20); % Fuzzy rules ruleList = [1 1 1; % Rule 1 2 1; % Rule 56 3 1; % 2 1; % 2 1; % 1; % 3 1; % 1; % 3 1]; % FIS_PID = addrule(FIS_PID, Rule Rule Rule Rule Rule Rule Rule ruleList); Hình 3.18 cho nhìn trực quan mối quan hệ giải mờ tín hiệu đầu mờ hóa đầu vào Ở đây, tác giả luận văn định nghĩa đầu vào mờ hóa sử dụng hàm mờ phi tuyến Gaussian Simulink/Matlab để có chuyển tiếp mượt tín hiệu đầu Hình 3.18 Mối quan hệ giải mờ tín hiệu đầu đầu vào Mô hệ thống điện Các tham số điều khiển PI cho vịng lặp dịng điện lựa chọn thơng qua nghiên cứu đáp ứng bước hệ thống điện Simulink/Matlab Cấu trúc điều khiển cho hệ thống điện nghiên cứu thực Simulink/Matlab Hình 3.19: Hình 3.19 Sơ đồ mơ cho hệ thống điện nghiên cứu 57 Cấu trúc khiển PI Simulink/Matlab đề nghị Hình 3.20: Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển PI Các tham số điều khiển PI thiết kế phải đảm bảo vịng lặp dịng điện có đáp ứng đủ nhanh nhiều so với đáp ứng hệ thống cơ, nên có thời gian xác lập nhỏ 0,1 giây, khơng có độ q điều chỉnh có sai lệch tĩnh Để đạt tiêu này, lựa chọn cho tham số điều khiển PI sau: K p = 1,8 K i = 400 Nghiên cứu đáp ứng bước hệ thống thực thông qua mô sử dụng Simulink/Matlab để kiểm tra yêu cầu thiết kế liên quan đến độ điều chỉnh, thời gian xác lập sai lệch tĩnh Hình 3.21 trình bày đáp ứng bước điều khiển dòng điện PI với tham số lựa chọn Hình 3.21 Đáp ứng bước điều khiển dòng điện PI Chúng ta thấy rõ hệ thống đạt đến trạng thái xác lập cách nhanh chóng sau 0,05 giây nhỏ so với yêu cầu đặt 0,1 giây với sai lệch tĩnh khơng có độ q điều chỉnh 58 Mơ toàn hệ thống Sau lựa chọn tham số cho điều khiển, xây dựng mơ hình điều khiển cho tồn hệ thống Simulink/Matlab Mơ hình mơ Simulink/Matlab tồn hệ thống điều khiển cho Hình 3.22 Hình 3.22 Mơ hình tồn hệ thống điều khiển Hình 3.23 trình bày cấu trúc bên khối hệ thống (System) bao gồm: Hình 3.23 Cấu trúc bên hệ thống điều khiển Simulink/Matlab - Khối biến đổi dòng điện (Current Park Transform) cho phép tính tốn cường độ dịng điện id iq từ đại lượng đo lường ia , ib thơng qua phép biến đổi Park - Khối vịng lặp dòng điện (Current loop) bao gồm điều khiển PI cho hệ thống điện trình bày phần 3.3.1 khối tuyến tính hóa (Linearization) cho phép tính tốn đại lượng n d n q hệ quy chiếu dòng điện (d, q) từ đầu lin điều khiển dòng điện n lin sử dụng kỹ thuật bù phi tuyến d n q trình bày phần 3.2 59 Hình 3.24 Cấu trúc vịng lặp điều khiển dịng điện - Khối biến đổi điện áp (Voltage Inverse Park Transform) cho phép trả kết điều khiển n d n q hệ quy chiếu dòng điện (d, q) điện áp phân bổ pha na nb hệ quy chiếu pha (a, b) sử dụng phép biến đổi Park ngược trở lại - Khối đối tượng điều khiển (HSM Dynamics + external load) biểu diễn mơ hình tốn học động bước với tải ngồi Hình 3.25 trình bày đáp ứng vị trí hệ thống góc quay mong muốn 30 độ sử dụng điều khiển khác thiết kế trên: PID thông thường PID mờ Hình 3.25 Đáp ứng vị trí hệ thống góc quay mong muốn 30 độ 60 Bảng 3.2 So sánh tiêu thiết kế Bộ điều khiển Chỉ tiêu đánh giá Khả định vị Dao động chuyển tiếp Độ điều chỉnh Thời gian xác lập Điều khiển vòng hở, chế độ tồn bước PID thơng thường PID mờ Góc quay số nguyên lần 1,8 độ Chính xác Chính xác Có Khơng Khơng Có Có Khơng Lâu, sau giây Nhanh, sau 0,8 giây Rất nhanh, sau 0,3 giây Rõ ràng, điều khiển PID mờ thiết kế cho phép động bước định vị xác góc quay mong muốn bất kỳ, khơng có dao động chế độ chuyển tiếp, khơng có độ q điều chỉnh đạt đến trạng thái xác lập sớm so với điều khiển PID thông thường với giá trị tương đương tham số điều khiển Và đó, thỏa mãn tiêu đề hoàn toàn khắc phục tất nhược điểm gây điều khiển vòng hở phương pháp kích xung chế độ tồn bước hệ thống VISRAM Hình 3.26 Đáp ứng điều khiển PID mờ số moment qn tính khác tải ngồi 61 Để kiểm tra tính bền vững điều khiển PID mờ thiết kế, tác giả thực mơ đáp ứng vị trí hệ thống góc quay mong muốn 40 độ thay đổi số moment tải ±50% so với giá trị sử dụng để nghiên cứu thiết kế Đáp ứng vị trí hệ thống trường hợp tải khác 0,5Jl; Jl 1,5 Jl trình bày Hình 3.26 Rõ ràng, trường hợp xấu tải 1,5Jl, đáp ứng hệ thống tốt với độ điều chỉnh 2,63% nhỏ so với tiêu đặt 5% đạt đến trạng thái xác lập nhanh sau 0,6 giây 3.5.3 Khả ứng dụng hệ thống vào thực tế Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển PID mờ cho động bước nhằm thể ưu điểm so với điều khiển PID thông thường, dừng lại mô Vì cần phải tiến hành thử nghiệm nghiên cứu với điều kiện khác thực nghiệm để hiệu chỉnh dần ngày hoàn thiện điều khiển PID mờ tối ưu cho động bước - Trước tiên cần đo lường biến trạng thái hệ thống: Cường độ dòng điện pha ia , ib đo lường thơng qua loại cảm biến dịng; Góc quay trục động thường đo lường sử dụng encoder vận tốc góc đo lường thơng qua tachymeter gắn với trục động - Trong thực tế, giá trị thực tham số vật lý mơ tải trọng bên ngồi khó để xác định cách xác Hơn nữa, yếu tố khác mà khơng biết khơng mơ hình hóa góp phần làm thay đổi đặc tính đáp ứng hệ thống Do đó, cần nghiên cứu nhằm tìm phương pháp thiết kế điều khiển PID PID mờ bền vững yếu tố bất định - Đối với hệ thống thực tế, hạn chế mặt vật lý hay lý an toàn, đại lượng cường độ dịng điện, điện áp hay vận tốc thường có giá trị giới hạn gọi bão hòa mà hệ thống vượt ngưỡng giới hạn Do đó, việc thiết kế điều khiển cần tính đến yếu tố ứng dụng thực tiễn KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày kỹ thuật biến đổi mơ hình hệ điều khiển kết hợp sử dụng phép biến đổi Park kỹ thuật tuyến tính hóa xác cho phép chuyển đổi vấn đề điều khiển mơ hình phi tuyến động bước hệ quy chiếu pha thành vấn đề điều khiển tuyến tính hệ quy chiếu dịng điện Kết mơ làm rõ nhược điểm phát sinh thực nghiệm nêu phần 2.6, đồng thời xác nhận việc lựa chọn mơ hình tốn học đối tượng điều khiển để nghiên cứu đắn Bộ điều khiển PID mờ cho động bước tiến hành 62 nghiên cứu, thiết kế so sánh với điều khiển PID thông thường Kết mô chứng tỏ: giá trị tương đương tham số điều khiển, điều khiển PID mờ thiết kế cho phép hệ thống đạt đến trạng thái xác lập sớm có độ điều chỉnh nhỏ so với điều khiển PID thông thường 63 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Tóm lại, thơng qua đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID mờ điều khiển vị trí hệ thống quan trắc mơi trường từ xa quang phổ hồng ngoại”, tác giả thực việc tìm hiểu: - Tình hình nghiên cứu, ứng dụng hệ thống quan trắc môi trường từ xa quang phổ kế hồng ngoại giới nước - Lý thuyết hệ điều khiển, động bước, điều khiển PID, logic mờ điều khiển PID mờ Dựa lý thuyết tìm hiểu nhu cầu thực tiễn đặt việc điều khiển vị trí hệ thống VISRAM (sản phẩm đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước mã số 04/HĐ-ĐT.04.14/CNMT Viện VIELINA), tác giả luận văn đề xuất giải pháp nhằm khắc phục nhược điểm việc định vị hệ thống VISRAM đạt số kết có ý nghĩa quan trọng sau: - Ý nghĩa thực tiễn: · Thiết kế thành công cấu quay quét sử dụng động bước cấu truyền động để thay cho điều khiển tay quay 4-53220-6 đặt chân đế Tripod hãng Quickset · Hệ thống thiết kế điều chỉnh góc ngẩng 60 độ góc phương vị 360 độ (theo giới hạn thực tế cấu quay quét thiết bị) · Có khả đạt độ xác cao 0,006 độ/1bước (» 0,1 mrad) theo tính tốn thiết kế, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề ban đầu (góc lấy mẫu 0,3-0,5 mrad) hệ thống VISRAM · Cải thiện đáng kể thời gian thao tác nhân lực vận hành thiết bị - Ý nghĩa khoa học: · Đề xuất giải pháp điều khiển vòng kín cho phép động bước định vị xác góc quay mong muốn bất kỳ, giảm độ điều chỉnh dao động chuyển tiếp thời gian xác lập Từ góp phần làm giảm thời gian xử lý tín hiệu, nâng cao tính xác việc phân tích phổ độ tin cậy kết chẩn đoán phương pháp quan trắc từ xa · Trình bày kỹ thuật biến đổi mơ hình sử dụng kết hợp phép biến đổi Park kỹ thuật tuyến tính hóa xác cho phép chuyển đổi vấn đề điều khiển mơ hình phi tuyến động bước hệ quy chiếu pha thành vấn đề điều khiển tuyến tính hệ quy chiếu dòng điện Đặc biệt, kỹ thuật cho phép đạt hệ thống điện với hai phương trình điện hồn tồn độc lập với liên quan đến phương trình thơng qua đại lượng 64 cường độ dịng điện Từ đó, cho phép tác giả đề xuất ý tưởng thiết kế điều khiển cho hệ thống điện cách độc lập · Tiến hành nghiên cứu, thiết kế điều khiển PID mờ cho động bước so sánh với điều khiển PID thông thường Trình bày cấu trúc có tính khả thi cao ứng dụng thực tiễn, mối quan hệ toán học tham số điều khiển PID mờ đề xuất điều khiển PID thông thường Kết mô môi trường Simulink/Matlab chứng tỏ điều khiển PID mờ thiết kế cho phép hệ thống đạt đến trạng thái xác lập sớm có độ điều chỉnh nhỏ so với điều khiển PID thông thường giá trị tương đương tham số điều khiển HƯỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn tiến hành nghiên cứu song song kết hợp với đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước mã số 04/HĐ-ĐT.04.14/CNMT Viện VIELINA, sản phẩm sau nghiên cứu phát triển đăng ký kiểu dáng công nghiệp mã số 3-2016-01246, cục SHTT với tên gọi “Cơ cấu điều khiển quay”, có tính khả thi thương mại hóa với hãng Quickset Trong luận văn này, việc nghiên cứu thiết kế điều khiển PID mờ cho động bước nhằm thể ưu điểm so với điều khiển PID thông thường, dừng lại mô Vì cần phải tiến hành thử nghiệm nghiên cứu với điều kiện khác thực nghiệm để hiệu chỉnh dần ngày hoàn thiện điều khiển PID mờ tối ưu cho động bước Sau vài hướng nghiên cứu khác tiếp tục phát triển để hồn thiện đề tài nghiên cứu: - Kỹ thuật điều khiển đề xuất luận văn với giả thuyết biến trạng thái hệ thống (cường độ dịng điện hai pha, vị trí vận tốc góc trục động cơ) có khả đo lường Tuy nhiên, cần đo lường đại lượng: cường độ dòng điện hai pha vị trí góc trục động đủ Vận tốc góc quay trục động đạt từ vị trí góc thơng qua phương pháp đạo hàm số lọc thông thấp Một giải pháp khác nghiên cứu thêm việc thiết kế giám sát trạng thái để ước lượng vận tốc - Trong thực tế, giá trị thực tham số vật lý mơ tải trọng bên ngồi khó để xác định cách xác Hơn nữa, cịn yếu tố khác mà không mơ hình hóa góp phần làm thay đổi đặc tính đáp ứng hệ thống Do đó, việc nghiên cứu nhằm tìm phương pháp thiết kế điều khiển PID PID mờ bền vững yếu tố bất định hướng mở - Đối với hệ thống thực tế, hạn chế mặt vật lý hay lý an toàn, đại lượng cường độ dịng điện, điện áp hay vận tốc thường có giá trị giới hạn gọi bão hòa mà hệ thống vượt ngưỡng 65 giới hạn Do đó, việc thiết kế điều khiển cần tính đến yếu tố ứng dụng thực tiễn 66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Đoàn Quang Vinh, Điều khiển số, ĐHBK - Đại học Đà Nẵng, 2008 [2] Ngô Văn Sỹ, Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị phát giám sát loại khí độc hại thải mơi trường phương pháp phân tích phổ hồng ngoại, đề tài cấp Nhà nước thuộc Đề án “Phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, Viện VIELINA, 2016 [3] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất ĐHQG TP HCM, 2005 Tiếng Anh: [4] Ann Majewicz, Stepper Motors, Robot Sensors and Actuators, 2011 [5] Aniket B Kabde1, A Dominic Savio, Position Control of Stepping Motor, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, Vol 3, Issue 4, 2014 [6] Astrom K.J, Hagglund T, PID Controllers: Theory, Design and Tuning, Instrument Society of America, Research Triangle park, North Carolina, Edition, 1995 [7] B C Kuo, Closed-loop and speed control of step motors, 3rd Annu Symp Incremental Motion Control Systems and Devices, UrbanaChampaign, IL, 1974 [8] Beil, A., Daum, R., Matz, G., Harig, R., Remote sensing of atmospheric pollution by passive FTIR spectrometry in Spectroscopic Atmospheric Environmental Monitoring Techniques, Klaus Schäfer, Herausgeber, Proceedings of SPIE Vol.3493, 32-43, 1998 [9] Essam Natsheh, Khalid A Buragga, Comparison between conventional and Fuzzy Logic PID Controllers for controlling DC Motors, IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol 7, Issue 5, 2010 [10] F Betin, M Deloizy, and C Goeldel, Closed loop control of stepping motor drive: Comparison between PID control, self tuning regulation and fuzzy logic control, Eur Power Electron J., vol 8, no 1-2, pp 33-39, 1999 [11] L.A Zadeh, Fuzzy sets, Information and Control 8, 338-353, 1965 [12] Paul Acarnley, Stepping Motors a guide to theory and pratice, 4th edition, The Institution of Engineering and Technology, 2007 [13] T R Fredriksen, Application of the closed-loop stepping motor, IEEE Trans Automat Contr., vol AC-13, pp 464-474, 1968 67 [14] T Takagi and M Sugneo, Derivation of fuzzy control rules for human operator’s control actions, Proc of the IFAC Symp On Fuzzy Information, Knowledge Representation and Decision Analysis” 55-60, 1983 [15] Takashi Kenjo, Stepping Motors and Their Microprocessor Controls, Oxford, U.K.: Clarendon, 1984 [16] ZHANG Shengyi and WANG Xinming, Study of Fuzzy-PID Control in MATLAB for Two-phase Hybrid Stepping Motor, Proceedings of the 2nd International Conference On Systems Engineering and Modeling, 2013 [17] Zhen-Yu Zhao, Tomizuka M., Isaka S., Fuzzy Gain Scheduling of PID Controllers, IEEE Trans Systems, Man and Cybernetics 23(5): 1393-1398, 1993 [18] Yu C.C, Autotuning of PID controllers, A dvances in Industrial Edition, 1995 Website: [19] http://hanoiplace.com [20] https://en.wikipedia.org [21] https://vi.wikipedia.org [22] https://www.mathworks.com [23] http://www.avsupply.com 68 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) ... ? ?Nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID mờ điều khiển vị trí hệ thống quan trắc mơi trường từ xa quang phổ hồng ngoại? ?? làm đề tài nghiên cứu thực MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu thiết kế cấu điều khiển. .. ? ?Nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID mờ điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa quang phổ hồng ngoại? ?? Đây đề tài nghiên cứu mẻ thiết thực Kết nghiên cứu đề tài mở giải pháp việc điều. .. NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ THỐNG QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG TỪ XA BẰNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI